Исследование параметров обработки чугуна нитридом магния
Исследованы рафинирующая и сфероидизирующая способности реагента, содержащего нитрид магния, в широком интервале интенсивности его взаимодействия с расплавом чугуна. Досліджені рафінуюча і сфероідизуюча здатністі реагенту, що містить нітрид магнію, в широкому інтервалі інтенсивності його взаємодії з...
Saved in:
| Published in: | Процессы литья |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31654 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование параметров обработки чугуна нитридом магния / Г.Д. Хуснутдинов, Б.Г. Зеленый // Процессы литья. — 2009. — № 4. — С. 24-30. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-31654 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Хуснутдинов, Г.Д. Зеленый, Б.Г. 2012-03-12T18:02:11Z 2012-03-12T18:02:11Z 2009 Исследование параметров обработки чугуна нитридом магния / Г.Д. Хуснутдинов, Б.Г. Зеленый // Процессы литья. — 2009. — № 4. — С. 24-30. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31654 621.74.94:669.131.7.061.062 Исследованы рафинирующая и сфероидизирующая способности реагента, содержащего нитрид магния, в широком интервале интенсивности его взаимодействия с расплавом чугуна. Досліджені рафінуюча і сфероідизуюча здатністі реагенту, що містить нітрид магнію, в широкому інтервалі інтенсивності його взаємодії з розплавом чавуну. Fining and spheroidizing capability of the reagent containing magnesium nitride was analyzed in terms of broad intensity range of interaction between the reagent and cast iron melt. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Процессы литья Кристаллизация и структурообразование сплавов Исследование параметров обработки чугуна нитридом магния Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование параметров обработки чугуна нитридом магния |
| spellingShingle |
Исследование параметров обработки чугуна нитридом магния Хуснутдинов, Г.Д. Зеленый, Б.Г. Кристаллизация и структурообразование сплавов |
| title_short |
Исследование параметров обработки чугуна нитридом магния |
| title_full |
Исследование параметров обработки чугуна нитридом магния |
| title_fullStr |
Исследование параметров обработки чугуна нитридом магния |
| title_full_unstemmed |
Исследование параметров обработки чугуна нитридом магния |
| title_sort |
исследование параметров обработки чугуна нитридом магния |
| author |
Хуснутдинов, Г.Д. Зеленый, Б.Г. |
| author_facet |
Хуснутдинов, Г.Д. Зеленый, Б.Г. |
| topic |
Кристаллизация и структурообразование сплавов |
| topic_facet |
Кристаллизация и структурообразование сплавов |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Процессы литья |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| format |
Article |
| description |
Исследованы рафинирующая и сфероидизирующая способности реагента, содержащего нитрид магния, в широком интервале интенсивности его взаимодействия с расплавом чугуна.
Досліджені рафінуюча і сфероідизуюча здатністі реагенту, що містить нітрид магнію, в широкому інтервалі інтенсивності його взаємодії з розплавом чавуну.
Fining and spheroidizing capability of the reagent containing magnesium nitride was analyzed in terms of broad intensity range of interaction between the reagent and cast iron melt.
|
| issn |
0235-5884 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31654 |
| citation_txt |
Исследование параметров обработки чугуна нитридом магния / Г.Д. Хуснутдинов, Б.Г. Зеленый // Процессы литья. — 2009. — № 4. — С. 24-30. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT husnutdinovgd issledovanieparametrovobrabotkičugunanitridommagniâ AT zelenyibg issledovanieparametrovobrabotkičugunanitridommagniâ |
| first_indexed |
2025-11-27T01:01:50Z |
| last_indexed |
2025-11-27T01:01:50Z |
| _version_ |
1850790001641521152 |
| fulltext |
кристаллизация и структурообразование сплавов
24 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 4
концентраций кремния (до 3,5 %) ударная вязкость и относительное удлинение сни�
жаются, но остаются на достаточно высоком уровне для высокопрочного чугуна мар�
ки ВЧ 500�7, получаемой в литом состоянии. Опыт промышленного опробования под�
тверждает целесообразность получения и применения высокопрочного чугуна марки
ВЧ 500�7 с повышенным содержанием кремния по сравнению с рекомендациями стан�
дартов (ГОСТ 72�3�85; ДСТУ 3�25���) в результате чего обеспечивается эффективное
снижение склонности тонкостенных отливок к отбелу, уменьшается их твердость и
улучшается обрабатываемость резанием на станках�автоматах.
�. Lerner Y. S. Overview of ductile iron tre�tment methods // Foundry Tr�de journ�l. — 2003. — V. �77.
— P. 25�27.
2. Lightweight iron c�stings – c�n they repl�ce �luminum c�stings? // Foundrym�n. — 2003. — Vol. �6,
№ �. — C. 22��22�.
3. Torbjorn Skaland. A new method for chill �nd shrink�ge control in l�dle tre�ted ductile iron // Foundry
Tr�de journ�l. — 200�. — № �2. — P. 3�6��00.
�. Большаков Л. А., Жерлицина О. В. О снижении содержания углерода при модифицировании
чугуна кремнемагниевой лигатурой // Вісник Приазовського держ. техн. ун�ту. — 2007. — № �7.
— С. 35�3�.
5. Вольнов И. Н. Компьютерное моделирование кинетики кристаллизации отливки из чугуна с
шаровидным графитом // Литейн. пр�во. — 200�. — № 2. — С. 3��36.
6. Csonka J. M. et. el. Ductile Iron Trends: reducing costs, Improving Qu�lity // Modern C�sting. — 2002.
— № 5. — P. 27�2�.
7. Справочник по чугунному литью / Под ред. Н. Г. Гиршовича — Л.: Машиностроение, ��78.
— С. 7��0.
Поступила �2.0�.200�
уДк 621.74.94:669.131.7.061.062
Г. Д. Хуснутдинов, б. Г. Зеленый
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
исслеДование параМетров обработки чуГуна
нитриДоМ МаГниЯ
Исследованы рафинирующая и сфероидизирующая способности реагента, содержащего ни-
трид магния, в широком интервале интенсивности его взаимодействия с расплавом чугуна.
Досліджені рафінуюча і сфероідизуюча здатністі реагенту, що містить нітрид магнію, в ши-
рокому інтервалі інтенсивності його взаємодії з розплавом чавуну.
Fining and spheroidizing capability of the reagent containing magnesium nitride was analyzed in
terms of broad intensity range of interaction between the reagent and cast iron melt.
Ключевые слова: рафинирование чугуна, модифицирование, нитрид магния, диссоциа-
ция, магниеемкость.
кристаллизация и структурообразование сплавов
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 4 25
Замену металлического магния нитридом магния при обработке чугуна провели с це�
лью исключения взрывообразного взаимодействия расплава с реагентом, содержащим
большую массовую долю магния (в нитриде магния 72 % Mg). Интенсивность обработки
жидкого чугуна нитридом магния регламентируется скоростью диссоциации нитрида.
Образование нитрида магния происходит с выделением большого количества
тепла (��5,2 ккал/моль), а полная диссоциация на магний и молекулярный азот про�
текает при температуре около �500 0С ���. �ти параметры свидетельствуют о достаточно
высокой термодинамической устойчивости нитрида.
Нитрид магния получали путем нагрева на воздухе смеси порошка магния с порош�
ком одного из наполнителей (графит, силикокальций, чугун, ферросилиций). Детально
исследовали реагент, образовавшийся в результате нагрева смеси магниевого и графито�
вого порошков.
Для установления количества магния, связанного азотом в полученной смеси, опре�
деляли изменение массы смеси, происходящее в результате ее нагрева, и последующее
изменение массы смеси в результате ее выдержки на открытом воздухе.
При нагреве приращение массы вызвано образованием нитридов и окислов магния.
На рис. � графически представлено приращение массы смеси в зависимости от тем�
пературы нагрева и продолжительности выдержки. Масса порошка магния в опыте со�
ставляла �0 г.
В соответствие с реакцией
3Mg + �
2
= Mg
3
�
2
(�)
прирост массы смеси за счет связывания азота магнием должен составить 0,3� г на � г
магния. Фактически величина приращения массы составляет 0,30 г. Разница может быть
связана с неполной азотацией магния или с частичной окисленностью использованно�
го порошка магния.
Нитрид магния в результате выдержки на воздухе взаимодействует с влагой воздуха
по реакции
Mg
3
�
2
+ 6 �
2
O = 3 Mg(O�)
3
+ 2��
3
↑. (2)
Суммарное приращение массы � г магния теоретически по двум реакциям должно
составить �,�2 г.
Рис. �. Изменение массы смеси графит�магний в зависимости от тем�
пературы и продолжительности нагрева: Δm – удельное, на � г маг�
ния изменение массы смеси графит�магний, г, τ – продолжительность
выдержки, мин; 1 – температура нагрева 750 0С; 2 – температура на�
грева �20 0С
кристаллизация и структурообразование сплавов
26 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 4
Исходя из пропорции
� � �,�2
Mg
�
�
A, (3)
составили уравнение
Mg
�
= 0,70� A, (�)
где Mg
�
– магний, связанный азотом, г; А — фактическое приращение массы смеси,
приходящееся на � г магния в ней.
На рис. 2 представлено выраженное в % количество магния, входящего в состав нитри�
дов, в зависимости от температуры и продолжительности нагрева смеси графит�магний.
Как видно из графика, при оптимальных условиях (t = 750 0С, τ ~ 30 мин) около
�0 % порошкового магния, находящегося в смеси с порошком графита, подвергается
азотации.
В результате нагрева и азотации магния смесь спекается и представляет собой до�
статочно однородное вещество темно�серого цвета. Для обработки чугуна смесь может
быть раздроблена либо использоваться в виде брикета.
Реагент в виде брикета, закрепленный на штанге, погружали в расплав чугуна и удер�
живали под уровнем расплава.
Характер поведения смеси в расплаве чугуна резко отличается от поведения всех из�
вестных лигатур, содержащих магний.
В интервале температур чугуна �350��500 0С при массовой доле магния в реагенте бо�
лее �0 % взаимодействие с расплавом проявляется как барботаж с появлением отдельных
ярких точечных вспышек на поверхности расплава. Выбросы расплава и обильное дымо�
выделение не наблюдаются. Барботация возникает не сразу после погружения реагента, а
после некоторой его выдержки под уровнем расплава. Продолжительность выдержки за�
висит от температуры чугуна и меняется от минуты до �5�20 с при увеличении температуры
расплава в указанном интервале.
Интенсивность барботации расплава, очевидно, определяется количеством нитрида
Рис. 2. Изменение количества магния, входящего в состав нитридов,
в зависимости от продолжительности нагрева смеси графит�магний
при различной температуре нагрева: 1 – температура нагрева 750 0С
с учетом угара графита; 2 – температура нагрева �20 0С с учетом уга�
ра графита; 3 – температура нагрева 750 0С без учета угара графита;
4 – температура нагрева �20 0С без учета угара графита
кристаллизация и структурообразование сплавов
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 4 27
магния, диссоциирующего в единицу времени. Ход процесса можно представить в виде
трех этапов (рис. 3). Первый, как отмечалось, характеризуется видимым полным отсут�
ствием взаимодействия реагента с расплавом. На втором этапе интенсивность процесса
диссоциации нитрида достигает максимума и сохраняется примерно постоянной около
3 мин. Далее процесс затухает.
Осмотр брикетов реагента, изъятых из расплава на разных этапах, показал, что после
выдержки в расплаве в течение 5��0 мин их размеры мало изменяются по сравнению с
исходными. Периферия брикетов приобретает черный цвет графита и становится рых�
лой на глубине 2�5 мм. Внутри брикет сохраняет серо�коричневый цвет и при взаимо�
действии с водой разлагается с выделением аммиака. Взвешиванием брикета реагента до
и после его нахождения в расплаве установлено, что после �0 мин выдержки в расплаве
до 50 % нитрида магния оказывается не израсходованным. При этом на втором, актив�
ном этапе процесса диссоциации нитрида, когда интенсивность поступления магния в
расплав наибольшая, расходуется только �0�25 % массы нитрида в брикете.
По ходу обработки чугуна отбирали пробы на содержание магния в расплаве. Их
анализ показал, что реализуемая схема обработки чугуна реагентом, содержащим смесь
нитрида магния с графитом в брикете, не является эффективной. Содержание магния в
чугуне не удается поднять выше 0,0�5 % вследствие низкой интенсивности поступления
магния из реагента в расплав. Такой режим обработки может быть использован только
для рафинирования чугуна и только при условии подогрева расплава в процессе обра�
ботки из�за чрезмерной длительности процесса.
Замедление и полное затухание процесса диссоциации нитрида магния задолго до
расходования всего нитрида в реагенте вызвано появлением неразрушающегося карка�
са уже отработанной периферийной части брикета. Он препятствует прямому контакту
нитрида с расплавом и ухудшает поступление тепла к реагенту.
Опробованы различные способы повышения интенсивности массообменных про�
цессов между реагентом и расплавом. Неполная азотация магния за счет сокращения
продолжительности нагрева смеси при изготовлении реагента сокращает продолжи�
тельность обработки, препятствует образованию неразрушающегося каркаса в брикете,
однако существенно ухудшает экологические параметры процесса и уменьшает коэф�
фициент усвоения магния.
Перемещение (вращение) брикета в расплаве с целью разрушения отработавшей
части приводит к образованию на его поверхности тугоплавкого шлакометаллическо�
го «кокона», препятствующего дальнейшему процессу массообмена. При содержании
Рис. 3. Изменение интенсивности взаимодействия с жидким чугуном бри�
кетированного реагента, содержавшего нитрид магния�графит, по мере
выдержки реагента в расплаве: I – интенсивность взаимодействия, с��;
τ — продолжительность выдержки, мин; I – этап отсутствия взаимодей�
ствия (до � мин), II – этап активного взаимодействия (до 3 мин); III – этап
затухающего взаимодействия
кристаллизация и структурообразование сплавов
28 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 4
серы в исходном чугуне 0,05� % ее содержание в «коконе» составляет �,03 %. После об�
работки чугуна в течение �3 мин достигнуто содержание магния 0,0�2 % при содержании
серы 0,0�8 %. Израсходовано около 30 % реагента.
Применение измельченного реагента также не позволило добиться эффекта. При за�
сыпке порошка на зеркало с последующим перемешиванием реагент окислялся кисло�
родом воздуха.
Последовательная подача небольших порций порошка под уровень расплава с по�
мощью графитового колокольчика растягивает процесс во времени и не позволяет по�
лучить чугун с содержанием магния более 0,0�5 %.
Поведение большой порции измельченного реагента, погруженного в расплав в ко�
локольчике, аналогично поведению брикета.
Присадка легкоплавких компонентов (алюминия) в порошковую смесь приводит к
заметному росту количества окисленного магния при нагревании смеси, то есть к потере
магния уже на стадии изготовления реагента.
Наилучший результат получен за счет увеличения площади контакта реагента с рас�
плавом, достигаемого изменением формы брикета. Таким путем стремились уменьшить
толщину брикета и создать условия, при которых бы вся масса реагента работала в ре�
жиме наибольшей интенсивности взаимодействия с расплавом (см. рис. 3, этап 2).
Расплав чугуна массой �0 кг обрабатывали в тигле высокочастотной печи, удерживая
реагент под уровнем расплава с помощью штанги на глубине �20 мм. Реагент в виде
брикета имел форму диска диаметром 60 мм и толщиной �0 мм. По ходу обработки
из расплава отбирали пробы на содержание магния, азота и кислорода. При исходном
содержании серы в чугуне 0,02� % за первые три минуты обработки содержание маг�
ния поднялось с 0,00� до 0,027 %. Далее оно медленно, но стабильно увеличивалось. К
завершению 6�й минуты достигло 0,032 %, �2�й — 0,035 %. Синхронно возрастало со�
держание азота в расплаве от 0,0022 до 0,005� % (рис. �). Содержание кислорода умень�
шилось с 0,003 до 0,00�8 %. Металлографическое исследование отобранных образцов
чугуна показало, что обработка нитридом магния приводит к уменьшению (до 0,0�7 %)
порога минимального содержания магния в чугуне, при котором наступает сфероидиза�
ция графита.
Аналогичным путем обрабатывали рафинированный аустенитный чугун с содержа�
нием никеля около � %. Содержание магния в этом чугуне достигло 0,07 % в течение
одной минуты обработки и в дальнейшем сохранялось практически постоянным на
протяжении всего времени обработки. Максимальное содержание азота (0,006 %) по�
лучено после �0 мин взаимодействия реагента с чугуном (рис. 5).
При обработке чугуна с высоким исходным содержанием серы (0,�3 %) содержание
в нем магния не удается поднять выше 0,008 % до тех пор, пока содержание серы не
Рис. �. Изменение содержания азота и магния в чугуне по ходу его об�
работки брикетом реагента в форме диска: � – массовая доля азота, %;
Mg – массовая доля магния, %; τ — время обработки, мин
Кристаллизация и структурообразование сплавов
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 4 29
снижается до уровня около 0,02 % (примерно в течение 10-ти минут). Повышение со-
держания магния до 0,018 % за последующие 4-е минуты снижает содержание серы до
0,006 % (рис. 6).
Приведенные результаты опытов показывают, что с повышением интенсивности
обработки чугуна реагентом, содержащим нитрид магния, путем увеличения площади
контакта расплава и реагента последний может одинаково успешно использоваться как
для рафинирования чугуна, так и сфероидизации графита в его структуре.
Во всех описанных экспериментах массовая доля магния в реагенте составля-
ла 0,2 % от массы расплава чугуна. Коэффициент полезного использования магния на
различных стадиях процесса менялся. По приблизительным расчетам при обработке
высокосернистого чугуна он составлял 50-80 % в начале процесса и снижался до 15-30 %
на завершающем этапе. Средняя величина полезного использования магния составля-
ла ~ 40 %. Если принять во внимание, что нитридом магния обрабатывали небольшие
массы расплава (10-12 кг), этот показатель следует признать хорошим. Дымовыделения
и выбросы отсутствовали.
Рис. 5. Изменение содержания азота и магния в аустенитном чугуне
по ходу его обработки брикетом реагента в форме диска: N – массовая
доля азота, %; Mg – массовая доля магния, %; τ - продолжительность
обработки, мин
Рис. 6. Изменение содержания серы и магния в высокосернистом чугу-
не по ходу его обработки (брикет реагента в форме диска): S – массо-
вая доля серы, %; Mg – массовая доля магния, %; τ – продолжитель-
ность обработки, мин
кристаллизация и структурообразование сплавов
30 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 4
Изменение содержания магния в чугуне по ходу его обработки реагентом с нитридом
магния (рис. ��6) показывает, что использование брикета реагента в форме диска, хотя
и позволяет поднять массовую долю магния в расплаве до 0,035�0,07 %, не обеспечивает
постоянной высокой интенсивности поступления магния из реагента в расплав. Замед�
ляющего влияния неразрушающейся отработавшей зоны брикета полностью избежать
не удается. Поэтому длительность процесса остается существенной. Для полного рас�
ходования реагента в режиме наибольшей интенсивности потребовалось бы снизить
толщину брикета до 2�3 мм, что невозможно из�за малой его прочности.
Интенсивность процесса обработки чугуна магнийсодержащей присадкой характе�
ризует количество магния, поступающего из реагента в расплав за единицу времени,
приходящееся на единицу массы расплава, и может быть определена по формуле
I = m/ τ ∙ M, (5)
где I – интенсивность поступления магния в расплав, с��; m – масса магния, вводимая в
расплав, кг; τ � продолжительность процесса, с; М – масса расплава, кг.
Каждый технологический процесс, связанный с вводом в чугун магния, имеет уро�
вень интенсивности, превышение которого приводит к снижению эффективности и
недопустимым отклонениям от нормального хода процесса. Выбросы металла из ков�
ша, обильное дымовыделение, яркое свечение при низком коэффициенте полезного
использования магния – признаки превышения оптимального уровня интенсивности
обработки. Рассчитали интенсивность поступления магния в расплав чугуна при ис�
пользовании реагента с нитридом магния по результатам описанных выше опытов.
В среднем она составила 8 · �0�7с��, хотя на этапе максимальной интенсивности обра�
ботки была существенно выше. Например, при обработке аустенитного чугуна (см.
рис. 5) в течение ��й минуты процесса интенсивность поступления магния в расплав
составила �,7 · �0�5с�� при нормальном течении процесса. В этом случае для расчета
использовали такие данные: М = �0 кг, τ = 60 с. Достигнутая массовая доля магния
в расплаве — 0,07 %. При коэффициенте полезного использования 70 % в расплав
было введено 0,0� кг магния.
Проведен эксперимент, позволивший увеличить интенсивность обработки чугуна
нитридом магния на протяжении всего процесса обработки за счет уменьшения обра�
батываемой массы расплава. В чугун, расплавленный в индукционной печи, погрузили
графитовый тигель вместимостью 0,5 кг расплава, заполняя его металлом, и затем при�
подняли верхний край тигля на 20�25 мм выше уровня металла в печи. Внутри тигля за�
ранее размещен реагент с нитридом магния. В процессе обработки печь не выключали.
В течение 5�ти минут обработки содержание серы в чугуне, находящемся в графитовом
тигле, снизилось с 0,2 до 0,00� % при конечном содержании магния 0,08 %. Расчетная
средняя интенсивность поступления магния в чугун составила 3,3 · �0�6 с�� Для сравнения
по данным работы �2� рассчитали интенсивность поступления магния в расплав в про�
цессе десульфурации доменного чугуна порошковым магнием. Она вполне сопоставима
с полученными нами результатами и составляет 6 · �0�6 с��.
Приведенные результаты опытов с нитридом магния свидетельствуют о том, что по�
вышение интенсивности обработки чугуна этим реагентом имеет большой резерв. При
интенсивности обработки, сопоставимой с условиями внедоменной десульфурации по�
рошковым магнием, эколого�технологические параметры процесса с применением ни�
трида магния сохраняются без видимых ухудшений.
�. Славинский М. П. Физико�химические свойства элементов. — М.: Металлургия, ��52. � �38 с.
2. Воронова М. А. Десульфурация чугуна магнием. — М.: Металлургия, ��80. — �2� с.
Поступила �7.�0.08
|