Теоретичні основи та практичні методи одержання литих прокатних валків із комплексномодифікованих чавунів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна академія України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Спеціальність 05.16.04 - Ливарне виробництво

Теоретичні основи та практичні методи одержання литих прокатних валків із комплексномодифікованих чавунів

Іванова Людмила Харитонівна

Дніпропетровськ 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Хричиков Валерій Євгенович Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри ливарного виробництва чорних і кольорових металів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бубликов Валентин Борисович, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, завідувач відділу високоміцних і спеціальних чавунів, м. Київ

доктор технічних наук, професор Луньов Валентин Васильович, Запорізький Національний технічний університет, завідувач кафедри “Машини і технологія ливарного виробництва”, м. Запоріжжя

доктор технічних наук, професор Могилатенко Володимир Геннадійович Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри ливарного виробництва чорних і кольорових металів, м. Київ

Захист відбудеться “05” лютого 2008 р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.084.02 у Національній металургійній академії України за адресою: просп. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, Україна, 49600.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: просп. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, Україна, 49600.

Автореферат розісланий “03” січня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради Д 08.084.02 А.М.Должанський

1. Загальна характеристика роботи

чавун прокатний валковий литий

Актуальність теми. Програма розвитку України, яка затверджена на період до 2010 року, передбачає за першочерговий пріоритет реструктуризацію гірничо-металургійного комплексу на основі існуючих і впровадження нових високоефективних технологічних процесів одержання залізовуглецевих розплавів та виробництва з них готових деталей і заготовок.

Комплексне легування та модифікування чавунів є ефективними способами підвищення механічних і експлуатаційних властивостей виливків. Щороку в Україні виробляється біля 1 млн. т чавунних виливків, і тільки 5…6% від їх випуску - із високоміцних чавунів, що є суттєво меншим ніж у світовому випуску таких виливків (30…60%). Особливо впливовим це є для вальцеливарного виробництва як основного виробника чавунних виливків.

Вальцеливарне виробництво має значні досягнення в удосконалюванні технології лиття, поліпшенні якості й освоєнні нових типів валків. Однак, у зв'язку з інтенсифікацією технологічних процесів в прокатному виробництві стійкість валків перестала задовольняти зрослим вимогам високопродуктивної роботи прокатних станів. Збільшилася кількість випадків уламок та викришування валків, швидкого їх зносу. Це визначило доцільність проведення в даній роботі досліджень, спрямованих на підвищення механічних і експлуатаційних властивостей листо- та сортопрокатних валків шляхом комплексного модифікування й легування чавунів та теплового оброблення заготовок.

Однією з основних причин, що стримують широке застосування модифікування в практиці вітчизняного ливарного виробництва, є нестабільність ефекту, що досягається. Усунення цього недоліку шляхом створення нових технологічних процесів оброблення розплавів комплексними модифікаторами на основі рідкісноземельних металів забезпечить значні зміни у структурі та покращення властивостей виливків. Теорія і технологія модифікування рідкісноземельними металами чавунів для таких великих виливків як прокатні валки дотепер не розроблена.

Отже, робота, що спрямована на розробку наукових основ прогресивних технологій одержання валкових чавунів з кулястим та вермикулярним графітом модифікуванням розплавів високоефективними комплексними модифікаторами на основі рідкісноземельних металів і легуванням за умови заміни феросплавів на основі дефіцитних елементів різними відходами, що раніше не використовували, а також теплового оброблення заготовок литих валків та на цій підставі підвищення їх якості, є актуальною, а проблема має загальнодержавне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана на кафедрі ливарного виробництва Національної металургійної академії України відповідно до Мінвузівської цільової науково-технічної програми “Валок” (наказ Мінвузу СРСР №1194 від 3.12.82 р., завдання 02.01); комплексної цільової програми науково-дослідних робіт “Створення нових ефективних способів виготовлення прокатних валків підвищеної надійності і довговічності” (постанова ГКНТ №343 від 01.10.87 р., завдання 02.01), державної науково-технічної програми 04.01 “Ресурсозберігаючі екологічно чисті процеси і технології в металургії і ливарному виробництві” (наказ Міннауки №102 від 23.04.97 р., завдання 04.01/0137), держ-бюджетної тематики з координаційних планів, затверджених Міносвіти України і госпдоговірною тематикою за планами нової техніки (№№ ДР: 00076051593, 00078070858, 00079055682, 01820084418, 01830056288, 01840019449, 01850075046, 01900005115, 01900015968, 01900058978, 0102U000871). Автор дисертації була виконавцем цих науково-дослідних робіт.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи була розробка наукових основ перспективних технологій одержання валків із чавунів з кулястим та вермикулярним графітом шляхом модифікування розплавів рідкісноземельними металами, легуванням відходами спеціальних виробництв та теплового оброблення литих заготовок валків, що забезпечує поліпшення їх фізико-механічних та експлуатаційних властивостей.

Для досягнення цієї мети були поставлені наступні задачі:

1. Провести дослідження впливу рідкісноземельних металів церієвої та ітрієвої підгруп, комплексних модифікаторів на їх основі на параметри кристалізації, структуру та властивості білих чавунів, а також половинчастих і сірих чавунів з кулястим або вермикулярним графітом для литих прокатних валків та дати їм теоре-тичну оцінку.

2. Дослідити вплив легувальних елементів, а також різних комплексних модифікаторів та сумішей, що вміщують модифікувальні й легувальні компоненти, на структуру та властивості білих, половинчастих і сірих чавунів з кулястим або вермикулярним графітом для лиття валків листо- та сортопрокатних станів.

3. Розробити технологічні параметри лиття прокатних валків відбілених та з невираженим відбілом із чавунів з кулястим або вермикулярним графітом.

4. Розробити технологічні параметри теплового оброблення литих заготовок валків, що забезпечують зменшення ливарних напружень, поліпшення структури, фізико-механічних та експлуатаційних властивостей матеріалу валків.

5. Впровадити одержані дані при удосконаленні технологічних процесів ви-робництва прокатних валків відбілених та з невираженим відбілом із чавунів з ку-лястим або вермикулярним графітом.

Об'єкт дослідження. Технологічні процеси лиття прокатних валків та теплового оброблення литих заготовок із комплексномодифікованих і легованих чавунів.

Предмет дослідження. Закономірності процесів кристалізації, первинного й вторинного структуроутворення та формування властивостей у литих прокатних

валках із комплексномодифікованих і легованих чавунів підвищеної якості.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених у роботі задач був вико-ристаний комплекс сучасних методів та апаратури, котрий включає: планування і оптимізацію експериментів; дослідження мікроструктури валкових чавунів за допомогою металографічного та мікрорентгеноспектрального аналізів; дослідження основних параметрів кристалізації за допомогою диференціального термічного аналізу; стандартні випробування механічних властивостей чавунів, розроблені методи випробування експлуатаційних характеристик, які мають достатньо високий рівень вірогідності. Розроблені нові способи лиття валків із комплексномодифікованих і легованих чавунів та подальшого їх теплового оброблення. Запропонована, апробована і впроваджена методика застосування різних відходів спеціальних виробництв при литті прокатних валків із чавунів з кулястим або вермикулярним графітом.

Наукова новизна одержаних результатів. У результаті теоретичних і експериментальних досліджень були знайдені нові наукові рішення:

1.Вперше виявлені закономірності впливу рідкісноземельних елементів церієвої групи - самарію та ітрієвої групи - гадолінію в інтервалі швидкостей охолодження 0,5…5,5 град/с, що мають місце у ливарній формі, та комплексних модифікаторів на їх основі на параметри кристалізації, процеси структуроутворення та властивості білих чавунів, а також половинчастих і сірих чавунів для прокатних валків.

Встановлені індивідуальні закономірності впливу самарію та гадолінію на термочасові параметри лиття відрізняються інтервалами їх залишкових вмістів для білих, половинчастих та сірих чавунів для прокатних валків. Узагальнення експериментальних даних дозволило сформулювати основні принципи первинного та вторинного структуроутворення в модифікованих рідкісноземельними металами високовуглецевих сплавах на основі заліза.

2. Одержали подальший розвиток експериментальні дослідження впливу церію, лантану, ітрію та комплексних модифікаторів на їх основі на параметри кристалізації, процеси структуроутворення та властивості білих чавунів, а також половинчастих і сірих чавунів для прокатних валків.

Розробка відрізняється комплексним підходом до оцінки їх індивідуальної модифікуючої здатності при первинній кристалізації, евтектичному перетворенні та перекристалізації у твердому стані. Це дає можливість обґрунтування типу основи комплексного модифікатора з метою досягнення потрібних властивостей матеріалу виливків.

3.Одержали подальший розвиток дослідження впливу легувальних комп-лексів хімічних елементів Тi+Nb+Cu, Ti+Nb+Sn, Nb+Cu+Sn, Cu+Sn, Ti+Cu на технологічні параметри лиття, структуру та властивості валкових чавунів.

Розробка відрізняється граничними концентраціями легувальних елементів у валках з урахуванням умов їх експлуатації. Це дало можливість визначити комплекс Тi+Nb+Cu, як найефективніший для підвищення експлуатаційної стійкості валків проти валків серійного виробництва.

4. Вперше запропоновано й науково обґрунтовано закономірності впливу легувальних елементів відходів спеціальних виробництв (шлаків, що вміщують ніобій, цирконій, рідкісноземельні метали, а також надпровідникових сплавів, що вміщують ніобій, титан, мідь, олово) та сумішей, що вміщують модифікувальні та легувальні компоненти, для лиття чавунних прокатних валків.

Раніше в вальцеливарному виробництві подібні експериментальні залежності не були відомі. Встановлені закономірності дозволили розробити раціональні технологічні процеси лиття прокатних валків із застосуванням для оброблення валкових розплавів відходів спеціальних виробництв та сумішей, що вміщують модифіку-вальні та легувальні елементи.

5. Вперше науково обґрунтовані технології лиття прокатних валків із чавуну з вермикулярним графітом з підвищеними експлуатаційними характеристиками.

Такі дані раніше були відсутніми. Визначені закономірності одержання чавуну з вермикулярним графітом для лиття прокатних валків. Застосування розроблених процесів дозволило зменшити витрати модифікувальних й легувальних елементів та підвищити експлуатаційні характеристики валків на прокатних станах.

6. Вперше для умов вальцеливарного виробництва встановлені закономірності впливу різних режимів теплового оброблення, в тому числі з гарячого посаду, литих валків із комплексно модифікованих чавунів на їх структуру, фізико-механічні та експлуатаційні властивості..

Раніше теплове оброблення з гарячого посаду литих прокатних валків у країнах СНД не застосовували. Визначені закономірності дозволили розробити технологічні процеси теплового оброблення, що сприяють зменшенню ливарних залишкових напружень, за рахунок удосконалення структури матеріалу валків підвищити фізико-механічні та експлуатаційні властивості валків, а також прискорити введення їх в експлуатацію.

Практичне значення одержаних результатів. На основі сформульованих принципів, теоретичних та експериментальних положень і закономірностей розроблені:

- нові склади білих, половинчастих та сірих комплексномодифікованих та легованих чавунів для прокатних валків із кулястим або вермикулярним графітом (А.с. 1192394, 1227706, 1252381, 1263720, 1447914, 1576591, 1615217, 1686024, 1713935, 1759941);

- нові високоефективні склади комплексних модифікаторів для обробки ча-вунних розплавів з метою одержання чавунів з кулястим або вермикулярним графітом (А.с. 1189129, 1387487, 1548236, 1548241, 1678886) та нові ресурсозберігаючі суміші з модифікувальних та легувальних компонентів, що дозволили підвищити вилучення цінних хімічних елементів (А.с. 1371973 та ін.);

- нові технологічні процеси модифікування та легування чавунних розплавів при виробництві литих прокатних валків, що дозволили підвищити їх механічні властивості та експлуатаційні характеристики (А.с. 1275046, 1303260, 1311846, 1381167, 1388434, 1571078, 1713935 та ін.);

- нові технологічні процеси теплового оброблення литих прокатних валків (А.с. 1119347, 1225250).

Економічний ефект від впровадження результатів роботи склав 1,36 млн. крб у цінах до 1991 р., в тому числі:

- на ВАТ “Кушвинський завод прокатних валків” сумарний економічний ефект склав 1320,838 тис. крб від впровадження: 1) винаходів - А.с. 1089162 “Чавун” (акт від 17.05.85 р.), А.с. 1192394 “Чавун для прокатних валків” (акт від 16.12.88 р.), А.с. 1311846 “Спосіб оброблення чавуну при виготовленні прокатних валків” (акт від 08.07.87 р.) за рахунок зменшення собівартості одиниці продукції та питомих капітальних вкладень економічний ефект склав за 1985…1988 рр. 368,8 тис. крб (акти від 23.12.86 р., 08.02.88 р., 21.12.88 р.); 2) технології лиття валків з використанням комплексних модифікаторів на основі рідкісноземельних металів замість магнію. Економічний ефект у 1984…1985 рр. за рахунок зменшення собівартості одиниці продукції та питомих капітальних вкладень склав 75,637 тис. крб (акти від 21.03.85р., 25.07.85 р.); 3) технологій лиття прокатних валків із чавунів з кулястим або вермикулярним графітом з використанням комплексних модифікаторів на основі рідкісноземельних металів та відходів спеціальних виробництв. Економічний ефект в 1986…1990 рр. склав 443,47 тис. крб (акти від 23.12.86 р., 09.07.87 р., 20.12.87 р., 27.12.88 р., 11.12.90 р.);

- на ВАТ “Дніпропетровський завод прокатних валків” впроваджена технологія теплового оброблення литих прокатних валків із чавунів з кулястим графітом, яка забезпечувала підвищення їх якості за рахунок зменшення залишкових напружень та прискорення введення валків в експлуатацію (акт від 19.07.2007 р.);

- на ВАТ “Дніпропетровський металургійний завод ім. Г.І.Петровського” в 1986 р. впроваджено режим теплового оброблення прокатних валків. За рахунок зменшення витрати валків на прокатному стані 3000 річний економічний ефект склав 26,7 тис. крб (акт від 21.12.86 р.);

- в зв'язку з широким впровадженням кременистих лігатур з рідкісноземельними металами на підприємствах Мінважмашу в 1986 р. було одержано економічний ефект в розмірі 446,6 млн. крб за рахунок підвищення засвоєння рідкіснозе-мельних елементів із лігатур та економії рідкісноземельних металів в народному

господарстві (акт від 29.12.87 р.) ;

- розроблені теоретичні положення використовувалися також у навчальному процесі у розділах лекційних курсів за дисциплінами “ Теоретичні основи ливарного виробництва”, “Технологічні основи виробництва виливків із залізовуглецевих сплавів”, “Виробництво виливків із спеціальних легованих і модифікованих чавунів і сталей” (акт від 05.09.2007 р.).

При впровадженні результатів досліджень у виробництво частка автора складає ~20%, тобто 272 тис. крб у цінах до 1991 р.

При проведенні робіт на ВАТ “Кушвинський завод прокатних валків” було показано, що:

- застосування лігатур на базі церію, ітрію, лантану, неодиму для лиття валків значно спрощувало процес модифікування валкових розплавів, повністю усувало димогазовиділення та піроефекти, що мали місце при магнієвому процесі, а також підвищувало дисперсність продуктів розпаду аустеніту та зменшувало умовний розмір карбідної фази у валкових чавунах (акт від 23.06.80 р.);

- при випробуванні технології виробництва валків виконання СШХН та ЛШ з використанням для модифікування комплексних модифікаторів на основі рідкісноземельних металів крім усунення димогазовиділення додатково зменшувалися тривалість плавки та брак по низький твердості й пластинчастому графіту (акти від 31.07.84 р., 20.12.84 р.),

- технологія лиття валків з використанням відходів спеціальних виробництв (відходів надпровідникових сплавів, шлаків та ін.) та комплексних модифікаторів дозволяла поліпшити умови праці у вальцеливарному цеху та зменшити брак валків по низькій твердості і пластинчастому графіту на 6,5% (акт від 7.10.87 р.).

Технологія лиття прокатних валків з використанням для модифікування комплексних модифікаторів на основі рідкісноземельних металів та легування відходами спеціальних виробництв була підприємством прийнята з рекомендацією до впровадження її на усіх вальцеливарних заводах країни (акт та протокол від 17.01.89 р.);

б) металургійних заводах при заміні валків серійного виробництва на нові було одержано таке:

- випробування дослідної партії валків виконання СВХН-47, відлитих із комплексномодифікованих чавунів із застосуванням відходів спеціальних виробництв, у 1986…1987 рр. на сортопрокатному стані ВАТ “Чусовський металургійний завод” показали збільшення стійкості на 15% (акт від 13.07.87 р.);

- випробування дослідної партії валків виконання СШХН-50, відлитих з використанням рідкісноземельних металів, у 1987 р. на стані 150 ВАТ “Череповецький металургійний комбінат” показали збільшення стійкості на 29% (акт від 11.02.88 р.);

- випробування дослідних партій валків виконання СШХН-41 після теплового оброблення у 1985 і 1987 рр. на рейкобалковому стані 800 показали підвищення стійкості на 11 та 18 %, відповідно (акти від 29.09.85 р., 09.11.87 р.);

- випробування дослідних партій валків із комплексномодифікованих і легованих міддю чавунів виконання СВХН-48 у 1989…1991 рр. на середньосортовому стані 550-2 ВАТ “Дніпропетровський металургійний завод ім. Г.І.Петровського” показали підвищення стійкості у 1,25…1,65 разів (акт від 15.05.91 р. ).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи базуються на дослідженнях, виконаних безпосередньо автором. Автором особисто науково обґрунтовані, розроблені, запропоновані й впроваджені на промислових підприємствах технології модифікувального оброблення чавунних розплавів та теплового оброблення заготовок прокатних валків, що дозволили підвищити їх якість та експлуатаційні характеристики.

У спільних публікаціях авторові належить формулювання задач і обґрунтування доцільності їх вирішення, пошук перспективних шляхів розв'язання проблем, вибір стандартних і розробка спеціальних методик досліджень, аналіз і узагальнення отриманих результатів, формулювання наукових висновків. Автор:

- розробила методики відбору проб від литих та термічно оброблених про-катних валків для дослідження структури та властивостей валкових чавунів [1], а також удосконалила методику визначення параметрів кристалізації модифікованих чавунів [16];

- встановила закономірності, обґрунтувала та експериментально підтвердила можливість використання різних рідкісноземельних металів у складі валкових білих, половинчастих та сірих чавунів й запропонувала оцінку їх ефективності [5, 9, 14];

- науково обґрунтувала та експериментально довела границі вмісту хімічних елементів при модифікуванні й легуванні чавунів та можливість лиття валків із чавунів з вермикулярним графітом [24, 28-35, 37, 39, 42, 44];

- розробила оптимальні склади комплексних модифікаторів та сумішей із модифікувальних та легувальних компонентів для позапічного оброблення валкових розплавів [22, 25, 26, 36, 45];

- розробила способи та сформулювала основні принципи технологічних процесів лиття прокатних валків із чавунів з кулястим або вермикулярним графітом [2, 7, 8, 12, 18-21, 23, 27, 38, 48, 49];

- висунула ідею, науково обґрунтувала й експериментально довела можливість використання відходів спеціальних виробництв для легування й модифікування чавунів прокатних валків [46, 47];

- запропонувала проводити безпосередньо у ливарному цеху теплове оброблення, в тому числі з гарячого посаду, та розробила відповідні режими [6, 40, 41];

- запропонувала схеми проведення експериментів та безпосередньо приймала участь у випробуваннях досліджуваних сплавів, аналізі й узагальненні отриманих результатів, а також у впровадженнях результатів дослідження [3, 4, 43].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були викладені, обговорені й одержали позитивну оцінку на міжнародних, всесоюзних, республіканських наукових конференціях та семінарах. Основними з них є: “Улучшение качества металла и его экономия в литейном производстве за счет применения новых модификаторов для серого и высокопрочного чугуна” (Челябінськ, 27-29 листоп. 1984 р.), “Литые износостойкие материалы, их разработка и применение” (Київ, 19-21 берез.1985 р.), “Современное оборудование и технология плавки, внепечной обработки и заливки чугуна” (Пенза, 23-24 верес.1985 р.), IV, V, VI Республіканські та XI Міжнародна конференції “Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах” (Запоріжжя, 10-12 верес.1985, 6-8 верес. 1988, 17-19 верес. 1991, 19-22 верес.2006 рр.), “Технология, производство и потребление РЗЭ” (Москва, 11-13 черв. 1985 р.), “Повышение эффективности металлургического производства” (Новокузнецьк, 18-19 квіт.1985 р.), VI Республіканська конференція “Интенсификация электроферросплавных процессов и повышение качества продукции” (Дніпропетровськ, 26-28 листоп. 1985 р.), “Перспективы развития литейного производства” (Севастополь, 3-5 берез. 1986 р.), III Всесоюзна конференція “Закономерности

формирования структуры сплавов эвтектического типа” (Дніпропетровськ, 26-28 берез. 1986 р.), VII Всесоюзна конференція “Новые высокопроизводительные технологические процессы, высококачественные сплавы и оборудование в литейном производстве” (Каунас, 16-18 верес. 1986 р.), III, IV і V Всесоюзні конференції “Нові конструкційні сталі й сплави та методи їх обробки для підвищення надійності і довговічності виробів” (Запоріжжя, 26-28 листоп. 1986, 10-14 жовт. 1989, 23-25 верес. 1992 рр.), IV Республіканська конференція “Механизация и повышение эффективности технологических процессов производства отливок металлургического оборудования” (Дніпропетровськ, 28-30 жовт. 1986 р.), Всесоюзна конференція “Ресурсосберегающие технологические процессы обработки титановых сплавов и их отходов” (Дніпропетровськ, 23-24 верес. 1987 р.), “Научно-технический про- гресс в производстве ферросплавов и электростали” (Челябинськ, 2-4 берез. 1988р.),

Всесоюзна конференція “Физико-хімія процесів відновлювання металів” (Дніпро-петровськ, 25-27 трав. 1988 р.), Республіканська конференція “Пути повышения качества и экономичности литейных процессов” (Одеса, 25-27 жовт. 1988 р.), Всесо-юзна конференція “Эффективность производства и применения новых модификаторов, раскислителей и лигатур в металлургии и машиностроении” (Челябинськ, 19-21 жовт. 1988 р.), V Республіканська конференція “Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок” (Дніпропетровськ, 27-29 листоп. 1990 р.), “Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве” (Хабаровськ, 21-26 верес. 1991 р.), Міжнародна конференція “Проблеми та перспективи розвитку ливарного виробництва” (Дніпропетровськ, 7-9 верес. 1999 р.), Стародубовські читання (19-21 квіт. 2006, 19-21 квіт. 2007 рр.), Міжнародна конференція “Евтектика VII” (Дніпропетровськ, 26-29 верес. 2006 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 50 друкованих працях, в тому числі, у 20-ти фахових виданнях, згідно вимог ВАК України. Перераховані публікації не містяться в кандидатській дисертації та її авторефераті.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Вона викладена на 499 сторінках, включаючи 130 таблиць, 93 рисунки, список використаних джерел з 595 найменувань, а також 4 додатки у вигляді актів впровадження результатів до-слідження у виробництво, актів випробувань і технологічних інструкцій.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність науково-технічної проблеми, що є темою дисертації, дана оцінка сучасного стану питання і визначені напрямки вирішення проблеми.

У загальній характеристиці роботи розкрита актуальність теми дисертації, показаний зв'язок роботи з важливими науковими програмами, сформульовані мета та задачі дослідження, наукова новизна, практична значущість отриманих результатів. Подані особистий внесок здобувача, повнота апробації і ступінь опублікованості результатів досліджень, структура й обсяг дисертації.

У першому розділі викладені сучасні уявлення про будову та кристалізацію різних чавунів - білих та половинчастих і сірих з кулястим або вермикулярним графітом. Показано, що одним з найдоступніших методів поліпшення якості чавунів є модифікування - процес оброблення розплаву, спрямований на зміну умов кристалізації та подрібнення зерна, при котрому прагнуть одержати, як правило, структуру з кулястим, вермикулярним або дрібнодисперсним графітом.

Якість литих чавунних валків, їх механічні та експлуатаційні властивості залежать від багатьох факторів, але, головне, від фізико-хімічних властивостей розплавів та процесів, що відбуваються в період твердіння й подальшого охолодження їх у ливарній формі. У реальних виробничих умовах, коли відомі швидкість охо-лодження виливків, хімічний склад чавуну та температура розплаву, модифікування (введення домішок) є єдиним фактором у руках технолога.

До теперішнього часу в вальцеливарному виробництві основним залишається процес модифікування розплавів металевим магнієм, котрий технологічно складний, проходить з великим піроефектом й димогазовиділеннями. Широко відомі багаточисленні дослідження із застосування рідкісноземельних металів як модифікаторів для чавуну та сталі. Силою своїх фізичних й хімічних властивостей індивідуальні рідкісноземельні метали виявляють різний вибірковий вплив на фізико-механічні та спеціальні властивості залізовуглецевих сплавів. Наприклад, ітрій найсильніше підвищує жароміцність, лантан - в'язкість, церій - мікротвердість фериту і т. ін. З усіх відомих індивідуальних металів-модифікаторів вплив церію, лантану та ітрію на процеси кристалізації достатньо повно вивчено. Відомі дослідження співробітників НМетАУ А.Є.Кривошеєва, Л.С.Рудницького, Г.Є.Білая, В.Є.Хричикова, О.В.Соцен-ка, Є.В.Колотило з впливу таких рідкісноземельних металів, як церій та ітрій, на структуру і властивості матеріалів робочого шару й серцевини прокатних валків.

Більша частина літературних відомостей з впливу рідкісноземельних металів на властивості високовуглецевих сплавів заліза зосереджена на дослідженні наступних питань: 1) нейтралізації шкідливих елементів, 2) сфероідизації графіту та утворенні зародків, 3) утворенні карбідів і характері кристалізації чавуна. Однак, відо-мостей з впливу рідкісноземельних металів - самарію та гадолінію на кристалізацію білих чавунів, а також половинчастих і сірих валкових чавунів з кулястим або вермикулярним графітом практично немає.

Чавун з вермикулярним графітом відомий з моменту відкриття чавуну з кулястим графітом. Теперішнього часу розроблені технологічні процеси одержання виливків із таких чавунів, однак, технології лиття таких унікальних виливків, як прокатні валки із чавунів з вермикулярним графітом з підвищеними експлуатаційними характеристиками невідомі.

Для одержання високоміцних чавунів з кулястим та вермикулярним графітом за останніх часів широко застосовують замість магнію різні комплексні модифікатори. Проведеними протягом останніх п'ятдесяти років у НМетАУ дослідженнями встановлено доброчинний вплив комплексних модифікаторів на основі рідкісноземельних металів на експлуатаційні властивості валкових чавунів та технологічність при використанні їх для модифікування великих мас металу. На зміну від модифікування металевим магнієм застосування комплексних модифікаторів не потребує додаткових устроїв й не супроводжується піроефектом та димогазовиділеннями. Крім того, застосування комплексних модифікаторів значно спрощує технологію одержання великих мас модифікованих розплавів та скорочує тривалість плавки за рахунок більш низької температури випуску розплаву з печі. Однак особливості й відмінності впливу комплексних модифікаторів на основі різних рідкісноземельних металів на процеси кристалізації чавунів з кулястим або вермикулярним графітом залишаються недостатньо дослідженими.

Аналіз комплексних модифікаторів за хімічним складом показав, що поки ще універсальних їх складів, що задовольняють різні умови виробництва виливків, не створено. Дефіцитність рідкісноземельних металів, висока вартість, відсутність відпрацьованих складів модифікаторів на їх основі не забезпечують промислового їх застосування. Крім того, важливим напрямком є створення ресурсозберігаючих технологій. За цього резервом підвищення якості, надійності й довговічності виливків є широке використання нових прогресивних матеріалів, процесів легування та модифікування розплавів, в тому числі відходами різних спеціальних виробництв, що вміщують легувальні та модифікувальні хімічні елементи, а також технології оброблення пристосовано до конкретних промислових умов.

Завершує розділ аналіз тенденцій в області теплового оброблення литих ча-вунних валків. Відомості про структурні перетворення при тепловому обробленні комплексномодифікованих валкових чавунів дуже обмежені. Виявлено необхідність встановлення закономірностей впливу різних режимів теплового оброблення литих валків із комплексномодифікованих чавунів, в тому числі з гарячого посаду в умовах вальцеливарних цехів, на їх структуру, фізико-механічні та експлуатаційні властивості.

Розробка технологічних процесів модифікування валкових чавунних розплавів високоефективними комплексними модифікаторами на основі рідкісноземельних металів, легування чавунів із використанням відходів спеціальних виробництв, а також теплового оброблення литих заготовок, які забезпечують поліпшення фізико-механічних властивостей та експлуатаційних характеристик, представляє значну наукову й народно-господарчу проблему.

Наприкінці сформульовані наукові й практичні задачі дисертаційної роботи, вирішення яких необхідне для досягнення гарантованих механічних властивостей та експлуатаційної стійкості чавунних прокатних валків.

У другому розділі викладені загальні методологічні положення роботи. Матеріалом дослідження були білі, половинчасті та сірі чавуни для прокатних валків різних виконань та призначень. Як шихтові матеріали при проведенні лабораторних та промислових експериментів використовували чушкові чавуни, сталевий та валковий брухт, феросплави, а також різні відходи: шлаки феросплавного та спеціальних виробництв, відходи надпровідникових, магнітних сплавів та ін. Як модифікатори застосовували індивідуальні рідкісноземельні метали церієвої (самарій, церій і лантан) та ітрієвої (гадоліній та ітрій) підгруп та комплексні модифікатори на їх основі експериментального та промислового виробництва. В лабораторних умовах комплексні модифікатори одержували вуглетермічним методом за технологією НМетАУ або сплавленням феросплавів та рідкісноземельних металів. Лабораторні плавки проводили в індукційних печах, силітовій та печі опору, промислові - в індукційній, мартенівській печах та вагранці. Вміст хімічних елементів у пробах визначали хімічним методом, експрес-аналіз промислових плавок - на квантометрі “Полівак Е-600”. Контроль температури здійснювали платино-платинородієвими датчиками температури та потенціометрами КСП-4 з точністю 5К.

Дослідження особливостей кристалізації модифікованих чавунів у лабораторних умовах проводили за удосконаленою методикою з використанням диференційної схеми вимірювання температури охолодження за допомогою низькочастотного термографічного регістратора НТР-75. Критичні точки чавунів визначали методом диференційного аналізу на установці ВДТА-8М. Для визначення швидкості охо-лодження чавунного розплаву після заливання форми та прогрівання литих валків різних розмірів під час теплового оброблення проводили вимірювання температури хромель-алюмелєвими датчиками температури.

Металографічний аналіз проводили на оптичних мікроскопах МІМ-8М та “Neophot 21”. Кількість структурних складових визначали точечним методом Глаголєва в 20…195 полях зору з вірогідністю 0,9544. Будову матриці чавунів оцінювали за нормативним документом, анормальність перліту та фактор форми кулястого графіту - за еталонними шкалами НМетАУ. Мікротвердість структурних складових визначали на приладі ПМТ-3 за стандартною методикою. Розподіл легувальних елементів у структурних складових досліджували методом мікрорентгеноспектрального аналізу на приладі MS-46 фірми “Cameca”.

Механічні властивості чавунів (,, ак)визначали за діючими нормативними документами на приладах МУП-50 і МК-30А, модуль пружності - ультразвуковим методом на приладі УЗІС-ЛЕТИ. Зносостійкість чавунів визначали за втратою маси зразків після стирання. Критерієм термостійкості була величина протяжності тріщин на зразках після ста теплозмін 923 2932К. Релаксацію напружень при тепловому обробленні визначали на зразках - балках рівного опору за допомогою спеціального приладу. Залишкові напруження у робочому шарі натурних зразків - прокатних валків визначали методом “кільця”. Нейтронопоглинаючий ефект чавунних зразків розмірами 80х75х15 мм досліджували на спеціальному приладі - “нейтронній пушці”, яка фіксувала нейтронний потік над та під зразком.

Оптимізацію складів комплексних модифікаторів для одержання білих або половинчастих валкових чавунів з кулястим або вермикулярним графітом, а також режимів теплового оброблення заготовок валків проводили із застосуванням математичного планування експериментів з використанням комбінаторних планів за типами латинських квадратів та розроблених комплексних показників якості валків - узагальнених функцій бажаності.

В третьому розділі викладені результати щодо технологічних параметрів одержання чавунів з кулястим графітом для литих прокатних валків модифікуванням розплавів рідкісноземельними металами.

Проведено визначення порівняльного впливу модифікування різними рідкісноземельними металами індивідуально, а також комплексними модифікаторами на їх основі на мікроструктуру та властивості доевтектичного та заевтектичного чавунів, параметри їх кристалізації при різних швидкостях охолодження - 5,5…0,5 град/c, що мають місце в комбінованій валковій формі. Для модифікування чавунних розплавів використовували індивідуальні рідкісноземельні метали - самарій та гадоліній, а також ітрій, церій і лантан, з вмістом домішок до 0,5%. Коефіцієнти засвоєння модифікаторів при дослідних присадках (0,2…2,4% за масою) в розплав чавуну були в діапазоні від 10 до 60%. Найліпший коефіцієнт засвоєння в дослідному діапазоні присадок у досліджуваних чавунах мали гадоліній та ітрій, а найгірший - лантан, що, напевне, пов'язано з відмінностями в температурах плавлення цих елементів.

Викладені уявлення про закономірності й особливості впливу рідкісноземельних металів на процеси структуроутворення в валкових чавунах та їх властивості. Встановлено, що в чавунах різного хімічного складу в дослідному діапазоні швидкостей охолодження евтектичне перетворення з утворенням пластинкової ледебуритної евтектики проходило при різних вмістах дослідних рідкісноземельних металів у чавунах доевтектичного та заевтектичного складу. При швидкості охолодження чавунів 5,5 град/с евтектичне перетворення з утворенням пластинкової ледебуритної евтектики проходило за мінімального вмісту 0,190% гадолінію або 0,423% самарію, а при швидкості охолодження 0,5 град/с - 0,356% гадолінію або 0,179% самарію, за цього кількості таких структурних складових як карбідна фаза та графіт відрізнялися. За карбідоутворювальною здібністю усі дослідні рідкісноземельні метали розміщувалися у такий спадний ряд: гадоліній, ітрій, самарій, лантан, церій, а за здібністю при кристалізації утворювати пластинкову ледебуритну евтектику гадоліній (РЗМзал-0,190%) та самарій (РЗМзал-0,423%) випереджали ітрій (РЗМзал-0,731%), церій (РЗМзал-0,651%) та лантан. Графіт в заевтектичних модифікованих чавунах набував вермикулярну форму при мінімальному залишковому вмісті дослідних рідкісноземельних металів 0,040%, а компактну -0,100%. Кулястий графіт одержували тільки у чавунах, модифікованих гадолінієм (РЗМзал- 0,152…0,650%) або самарієм (РЗМзал- 0,442%).

Встановили, що для білих валкових чавунів слід застосовувати для модифікування розплавів гадоліній або ітрій, для половинчастих - гадоліній або самарій, а для сірих - гадоліній або церій та лантан. Вказані індивідуальні особливості рідкісноземельних металів необхідно враховувати при обиранні складів комплексних модифікаторів, так заміщення частини церію (20…50%) на гадоліній у комплексних модифікаторах при модифікуванні білих валкових чавунів збільшіть ефект у 1,5…3,7 разів, що свідчить про особливу цінність гадолінію як складового комп-лексних модифікаторів.

Експериментально підтверджений факт, що свідчить про наявність зв'язків між структурою модифікованих рідкісноземельними металами валкових чавунів в рідкому й твердому станах або спадковості структури, котра зберігається при переплавленні та кристалізації

Результатом теплового оброблення дослідних модифікованих рідкісноземельними металами доевтектичних чавунів було перетворювання вторинного аустеніту на сорбітоподібний та зернистий перліт, кількість же сорбітоподібного перліту зі збільшенням залишкового вмісту модифікатора збільшувалася, що, напевне, пов'язане з більшим переохолодженням чавуну перед евтектоїдним перетворенням та характером вихідної структури металевої матриці.

Встановлено вплив рідкісноземельних металів на твердість чавуну та його нейтронопоглинаючий ефект (табл. 1). Переважним елементом був гадоліній, при присадці якого у чавун твердість в порівнянні з базовим чавуном збільшувалася на 11…22%, а нейтронопоглинаючий ефект - у 10…15 разів.

Розроблені хімічні склади білих, половинчастих і сірих чавунів, модифікованих рідкісноземельними металами, з необхідними експлуатаційними властивостями (А.с. 1089162, 1092200, 1113422, 1114705, 1252381).

На параметри евтектичної кристалізації чавунів (поч.евт. і евт.) модифікування присадками рідкісноземельних металів виявляло двоїстий вплив (табл.2).

Дослідні рідкісноземельні метали в кількостях, що не викликали сфероідизації графіту, від мінімальних значень їх залишкового вмісту до 0,107% гадолінію та до 0,129% самарію, підвищували схильність розплаву до твердіння за стабільною системою та температуру початку евтектичної кристалізації. За цього скорочувалася тривалість цього перетворення.

Таблиця 1 Властивості модифікованих рідкісноземельними металами чавунів

Таблиця 2 Вплив самарію і гадолінію на параметри кристалізації чавуну при швидкості охолодження 0,5 град/с

Вказані вмісти дослідних рідкісноземельних металів не приводили до сфероідизації графіту: форма графітних включень змінювалася від грубої до дрібної пластинчастої й навіть до вермикулярної. Такий вплив невеликих добавок рідкісноземельних металів пов'язаний, напевне, з їх здібністю утворювати стійкі хімічні сполуки з різними домішками чавуну, та через це рафінувати розплав від сірки та кисню.

Збільшення вмісту рідкісноземельних металів більше за вищевказані (0,107% гадолінію та 0,129% самарію) породжувало зниження температури початку евтектичної кристалізації та збільшення її тривалості до екстремальних значень за таких вмістах модифікаторів - 0,312% самарію та 0,249% гадолінію (див. табл.2). За таких концентрацій рідкісноземельних металів форма графітних включень змінювалася на кулясту (при модифікуванні як самарієм, так і гадолінієм). Подальше підвищення концентрації модифікаторів більше за екстремальні значення декілька підвищувало температуру початку евтектичної кристалізації, зменшувало її тривалість та приводило до погіршення форми графітних включень і виділення в структурі чавунів карбідної фази.

В результаті проведених експериментів встановлено, що в дослідному інтервалі концентрацій усіх досліджуваних металів-модифікаторів модифікування стимулювало кристалізацію аустеніту, температура початку виділення котрого (поч.аус) підвищувалася. Такий вплив досліджуваних рідкісноземельних металів пов'язаний, напевне, з тим, що оксиди рідкісноземельних металів, що утворювалися в розплаві, мали решітку, близьку до решітці аустеніту, й могли служити зародками при його кристалізації.

За інтенсивністю впливу на зниження температури початку евтектичної кристалізації рідкісноземельні метали, в тому числі, що досліджували вперше, розмістили у такий спадний ряд: гадоліній, ітрій, церій, самарій, лантан. Встановлено, що рівень зниження температури початку евтектичної кристалізації при модифікуванні гадолінієм досягає 40о, що більше, ніж при модифікуванні іншими дослідними рідкісноземельними металами (самарієм, ітрієм, церієм і лантаном).

Підвищення швидкості охолодження від 0,5 до 0,9 град/с зсовувало показник максимального зниження температур початку евтектичної кристалізації при мінімальному вмісті модифікатора в чавуні у бік менших концентрацій (табл. 3).

Таблиця 3 Вплив швидкості охолодження на температуру початку евтектичної кристалізації чавуну

Для розробки оптимальних режимів модифікування чавунів комплексними модифікаторами на основі рідкісноземельних металів проведені досліди особливостей їх впливу на структуру та властивості, а також встановлені дані про коефіцієнти засвоєння рідкісноземельних металів з них при різних умовах одержання виливків.

Коефіцієнти засвоєння рідкісноземельних металів при невеликих присадках комплексних модифікаторів (0,25 % за масою) в розплав чавуну були в діапазоні від 25 до 65,3%, тобто більші, ніж при модифікуванні чавунів індивідуальними рідкісноземельними металами ~ на 10…15%. Крім того, засвоєння рідкісноземельних металів зменшувалося зі збільшенням величини присадки комплексних модифікаторів в розплав чавуну. Найліпші коефіцієнти засвоєння в дослідному діапазоні присадок в білих та сірих чавунах мав комплексний модифікатор на основі гадолінію.

В порівнянні з індивідуальними рідкісноземельними металами модифікування комплексними модифікаторами на їх основі викликало більше підвищення евтектичної температури при близьких вмістах РЗМзал. Цю більш високу графітизуючу здібність комплексних модифікаторів слід віднести на рахунок підвищення вмісту кремнію у складі чавуну.

В результаті досліджень по вивченню впливу індивідуальних рідкісноземельних металів та комплексних модифікаторів на їх основі показано, що вплив їх на параметри кристалізації чавуну аналогічний. Однак, за подібного впливу індивідуальних рідкісноземельних металів на параметри кристалізації критичні концентрації їх, що приводять до найбільших змін у параметрах кристалізації та структурах, різні.

В результаті активного експерименту встановлені оптимальні вмісти рідкісноземельних металів (УРЗМ) і кремнію в комплексному модифікаторі для одержання стабільних ефектів модифікування та високих фізико-механічних властивостей робочого шару валків з білих валкових чавунів - ФС30РЗМ30. Розроблені також хі-мічні склади: комплексного модифікатора для половинчастих чавунів з кулястим графітом для прокатних валків з невираженим відбілом (А.с. 1548241) та комплексних модифікаторів з легувальними елементами для модифікування розплавів при виготовленні відбілених прокатних валків.

Вперше проведені досліди з впливу на мікроструктуру та властивості половинчастих та сірих чавунів оброблення чавунних розплавів різними відходами спеці-альних виробництв, що вміщували рідкісноземельні метали або легувальні комплекси хімічних елементів Тi+Nb+Cu, Ti+Nb+Sn, Nb+Cu+Sn, Cu+Sn, Ti+Cu, з метою поліпшення структури та підвищення властивостей чавунів, а також розробки міжгалузевих безвідходних технологій, що забезпечували підвищення здобування й засвоєння цінних легувальних елементів. Найефективнішим для валкових чавунів був легувальний комплекс Тi+Nb+Cu.

Визначені оптимальні параметри теплового оброблення (температура та тривалість витримки при штучному старінні) для валків із комплексномодифікованих чавунів з кулястим графітом. Витримка матеріалу валків протягом 1,5 год при температурі 823К підвищувала узагальнений показник їх якості до максимального значення D=0,837. Металографічний аналіз чавунів робочого шару та шийок валків після такого теплового оброблення не показав помітних змін у порівнянні вихідним станом чавунів (до штучного старіння). Твердість чавунів робочого шару та шийок після штучного старіння зменшувалася в середньому на 7,3 і 1,5 %, відповідно, зносостійкість чавунів робочого шару зменшувалася на 7,3%, а термостійкість навпаки збільшувалася на 41,1%.

Визначені оптимальні параметри зміцнюючого теплового оброблення - подвійного відпалу для валків із комплексномодифікованих чавунів з кулястим графітом - на першій стадії витримка протягом 1,0 год при температурі 1223К, на другій стадії витримка протягом 1,5 год при температурі 823К, при котрих узагальнений показник якості валків мав максимальне значення - 0,750. Встановлена необхідна швидкість охолодження чавуну робочого шару після першої стадії подвійного відпалу - не менше за 5 град/хв. Досліди на натурних зразках - прокатних валках показали, що приблизно таку швидкість охолодження забезпечувало примусове водно-повітряне охолодження робочого шару валків. Досліджено процеси структуропере-творення при подвійному відпалі чавунів робочого шару та шийок валків, їх фізико-механічні та експлуатаційні властивості. Міцностні властивості дослідних матеріалів підвищувалися на 35…77%, а термостійкість чавунів робочого шару - в 3,2 рази. Крім того, теплове оброблення сприяло більш рівномірному розподілу легувальних елементів у складі чавунів робочого шару та шийок валків.

У четвертому розділі викладені результати дослідження та визначення технологічних параметрів одержання чавунів з вермикулярним графітом для литих прокатних валків.

Експериментально встановлений у валкових чавунах з різним вмістом сірки при різних швидкостях охолодження 5,5…0,5 град/с залишковий вміст рідкісноземельних металів для одержання чавунів з вермикулярним графітом. Для досліджень як базовий використовували чавун такого хімічного складу, %: 3,82С; 1,06Si; 0,84 Mn; 0,20P; 0,03…0,07S; 0,45Cr; 2,15Ni; решта - Fe.

У чавунах з низьким вмістом сірки (до 0,03%) при обробленні розплавів комп-лексним модифікатором ФС30РЗМ30 для одержання графіту у вермикулярній формі при швидкості охолодження 5,5 град/с необхідно мати вміст РЗМзал від 0,045 до 0,104%, при швидкості охолодження 0,5 град/с - від 0,104 до 0,144%. Оброблення такого ж розплаву додатково феротитаном область концентрацій РЗМзал для стабільного одержання вермикулярного графіту розширювало при швидкості охо-лодження 5,5 град/с до 0,014…0,156%, а при швидкості охолодження 0,5 град/с - 0,084…0,156%. При обробленні розплавів модифікатором на основі магнію КМг9 для одержання вермикулярного графіту залишковий вміст магнію Mgзал у чавуні при швидкостях охолодження 5,5 і 0,5 град/с повинен бути у границях 0,019…0,03 та 0,022…0,03%, відповідно. Комплексне оброблення обома модифікаторами ФС30РЗМ30 й КМг9 показало, що найліпша комбінація мікроструктури та властивостей у чавунах досягалася при вмістах 0,023…0,025% РЗМзал та 0,007…0,015% Mgзал. Додаткові дослідження встановили оптимальний вміст міді при обробці розплавів - 0,3…0,5%, який сприяв одержанню переважно перлітної структурної складової у матриці чавунів. Оброблення розплавів комплексним модифікатором ФС30РЗМ30 та відходами, що містять легувальний комплекс Тi+Nb+Cu, показало, що міцностні властивості комплексномодифікованих і легованих чавунів у порівнянні з вихідними підвищувалися найбільше - на 16…39%, а твердість на 6…16% при швидкостях охолодження 0,5…5,5 град/с. Крім того, таке оброблення чавунів при литті валків виконання СПХН-60 дозволяло без зниження міцностних властивостей зменшити концентрацію нікелю на 1…1,2%.

Встановлені залишкові вмісти РЗМзал , РЗМзал +Ti, Mgзал, РЗМзал+ Mgзал у валкових чавунах з підвищеним вмістом сірки (0,07%) при швидкостях охолодження 5,5 і 0,5 град/с. Так, інтервали концентрацій РЗМзал, що забезпечували одержання графітних включень у вермикулярній формі, становили при швидкості охолодження 5,5 град/с - 0,081…0,129%, а при швидкості охолодження 0,5 град/с - 0,161…0,190%. Оброблення такого ж розплаву додатково феротитаном область концентрацій РЗМзал для стабільного одержання вермикулярного графіту розширювало при швидкості охолодження 5,5 град/с до 0,061…0,169%, а при швидкості охолодження 0,5 град/с - 0,127…0,23%.