Вібролиті корундошпінельні і корундопериклазові тиглі для плавки жароміцних сплавів - Автореферат

До 80 років CC сторіччя футерівку вакуумних індукційних печей для плавки жароміцних сплавів виконували з набивних корундових або периклазових мас. З 80-х років вказаного сторіччя почали застосовувати випалені тиглі, використання яких забезпечило різке зниження вмісту неметалічних включень у сплавах, в порівнянні з набивними футерівками. Одним з перспективних напрямків подальшого підвищення якості цих виробів, що одночасно мали б високу термо-і ерозійну стійкість, а також здатність адсорбувати оксидні полони сплаву, є створення корундошпінельних і корундопериклазових тиглів. В роботі необхідно вирішити наступні задачі: - провести дослідження процесів розпаду твердих розчинів Al2O3 в плавленому алюмомагнезіальному шпінельному матеріалі при дії температур понад 900°С і вивчити їх вплив на структуру і властивості матеріалу і виробів на його основі; На підставі одержаних наукових результатів досліджень розроблена технологія виробництва вібролитих випалених корундошпінельних і корундопериклазових тиглів для індукційної плавки жароміцних сплавів, які забезпечують в умовах служби разом з високою термо-і ерозійною стійкістю адсорбцію оксидних полон сплаву, що значно збільшує вихід придатної металічної продукції високої вартості.Викладено способи виготовлення зразків і методи досліджень, зокрема метод дослідження розпаду твердих розчинів Al2O3 у шпінельному матеріалі, тигельний метод визначення окалино-і шлакостійкості, межі міцності при стиску при температурі 1400°С, текучості при вібрації зернистих мас, механізму утворення і відновлення структур у віброрухомих масах, вмісту вільного MGO в зразках. З метою отримання тиглів, що характеризуються високими службовими характеристиками, вперше проведено вивчення розпаду твердих розчинів Al2O3 в плавленому шпінельному матеріалі з вмістом MGO / Al2O3 25,50 / 72,80; 23,80/75,10; 20,40/78,10; 14,77/84,39; 9,98 / 89,18 % (склади № 1 - 5) і встановлено, що величина розпаду залежить більшою мірою від температури, ніж від часу термообробки. В результаті розпаду твердого розчину відбувається зсув його складу до рівноважного стану, тобто повна стехіометрія не досягається: згідно з даними мікрорентгеноспектрального аналізу після термообробки при температурі 1580°С з витримкою 6 годин концентрація Mg у твердому розчині матеріалу складу № 4 зросла на 5-7 %, порівняно з вихідною. Повторна термообробка матеріалу, при тій самій температурі - 1580°С з витримкою 6 годин, яка відповідає температурі випалу тиглів і наближена до температур їх служби, практично не приводить до подальшого розпаду твердого розчину - кількість корунду, що додатково виділився, не перевищує 1 об.%, а отже даний шпінельний матеріал в службі практично не зазнаватиме змін. По зміні пластичної міцності маси встановлено ступінчастий механізм утворення і відновлення структури, подібний до дисперсних систем, та визначено технологічні параметри виготовлення тиглів методом вібролиття: час, протягом якого маса зберігає вібраційну рухливість, що забезпечує якісне вібролиття - до 4 годин (без її вакуумування), і час, протягом якого відформований сирець набуває міцність, що достатня для виймання його з форми.На підставі аналізу літературних даних і результатів виконаних досліджень вирішено науково-практичну задачу отримання вібролитих швидкозмінних випалених корундошпінельних і корундопериклазових тиглів, що використовують для індукційної плавки жароміцних сплавів. Встановлено залежність розпаду твердих розчинів Al2O3 в плавлених алюмомагнезіальних шпінельних матеріалах з вмістом Al2O3 від 72,80 до 89,18 % і показано, що величина розпаду більшою мірою залежить від температури, ніж від часу термообробки. Дослідженнями за визначенням впливу кількості і зернового складу плавленого шпінельного матеріалу на властивості корундошпінельних зразків встановлено, що шлакостійкість максимальна при добавці шпінельного матеріалу в кількості 30 мас.%. Дослідженнями процесів фазо-і структуроутворення в шпінельному матеріалі при дії високих температур встановлено його оптимальний хімічний склад: збільшення вмісту Al2O3 в шпінельному матеріалі приводить до зниження відкритої пористості з 18,7 до 16,7 %, збільшення межі міцності при стиску з 98,1 до 167,9 МПА і термостійкості при 950°С-вода від 5 до більш 20 теплозмін корундошпінельних зразків. Дослідженнями процесів фазо-і структуроутворення в корундопериклазових зразках встановлено, що введення периклазу фракції меншої від 1 мм в кількості 6 мас.%, при співвідношенні фракцій 1 - 0,2 мм і меншої від 0,2 мм як 50/50, забезпечує прямий синтез шпінелі в кількості 20 - 23 %, а сама шпінель представлена твердими розчинами з надлишком Al2O3.

2. Основний зміст роботи

На підставі аналізу літературних даних і результатів виконаних досліджень вирішено науково-практичну задачу отримання вібролитих швидкозмінних випалених корундошпінельних і корундопериклазових тиглів, що використовують для індукційної плавки жароміцних сплавів.

1. Встановлено залежність розпаду твердих розчинів Al2O3 в плавлених алюмомагнезіальних шпінельних матеріалах з вмістом Al2O3 від 72,80 до 89,18 % і показано, що величина розпаду більшою мірою залежить від температури, ніж від часу термообробки. З підвищенням вмісту Al2O3 в твердому розчині збільшується виділення тонкокристалічного корунду, що призводить до зміни складу шпінельного матеріалу.

2. Дослідженнями за визначенням впливу кількості і зернового складу плавленого шпінельного матеріалу на властивості корундошпінельних зразків встановлено, що шлакостійкість максимальна при добавці шпінельного матеріалу в кількості 30 мас.%. Раціональним, з погляду отримання термо- і ерозійностійких виробів, є введення шпінельного матеріалу фракції 2 - 0,5мм в кількості 10 мас. % і меншої від 0,5 мм в кількості 20 мас. %.

Дослідженнями процесів фазо- і структуроутворення в шпінельному матеріалі при дії високих температур встановлено його оптимальний хімічний склад: збільшення вмісту Al2O3 в шпінельному матеріалі приводить до зниження відкритої пористості з 18,7 до 16,7 %, збільшення межі міцності при стиску з 98,1 до 167,9 МПА і термостійкості при 950°С-вода від 5 до більш 20 теплозмін корундошпінельних зразків.

Дослідженнями процесів фазо- і структуроутворення в корундопериклазових зразках встановлено, що введення периклазу фракції меншої від 1 мм в кількості 6 мас.%, при співвідношенні фракцій 1 - 0,2 мм і меншої від 0,2 мм як 50/50, забезпечує прямий синтез шпінелі в кількості 20 - 23 %, а сама шпінель представлена твердими розчинами з надлишком Al2O3. Зниження вмісту в шихті тонкозернистого корунду дозволило компенсувати термічне розширення периклазу і обємні зміни синтезованої алюмомагнезіальної шпінелі при випалі, що дозволило збільшити термостійкість зразків в 2,4 рази.

3. Вивчено закономірності текучості при вібрації зернистих корундошпінельних мас при застосуванні ефективної розріджуючої добавки - диспергуючих глиноземів марки ADS-1, ADS-3 і ADW-1 і встановлено їх кількість і раціональне співвідношення для різних температурних інтервалів, що забезпечує отримання маси з вологістю 4,9-5,5 %, розтікання конуса маси 80-120 % і часом вібраційної рухливості не менш 4 годин. Застосування диспергуючих глиноземів, замість гідрофобізуючої рідини ГКР-11Н, дозволило понизити відкриту пористість з 18,6-21,9 % до 15,2-18,9 % і збільшити межу міцності при стиску до 177,9 МПА випалених корундошпінельних зразків.

Досліджено процеси утворення і відновлення структур, в результаті яких встановлено, що в корундошпінельних масах відбувається ступінчасте утворення колоїдної структури. Знайдений механізм співпадає з таким для дисперсних систем, а сам процес структуроутворення відноситься до коагуляційно-кристалізаційного. На підставі досліджень визначено час ефективної вібраційної рухливості мас і час, протягом якого сирець набуває міцність достатню для виймання його з форми.

4. Встановлено оптимальну температуру випалу - 1580°С, яка дозволяє отримати корундошпінельні і корундопериклазові зразки з високими показниками властивостей, відповідно: відкрита пористість 17,7 і 23,2 %, межа міцності при стиску 158,7 і 63,0 МПА, термостійкість при 950°С-вода - більш 20 теплозмін.

5. Виготовлено дослідні партії тиглів корундошпінельного і корундопериклазового складів та випробувано на промислових підприємствах при плавці жароміцних сплавів: - випробування корундошпінельних тиглів при плавці сплавів на нікелевій основі показало максимальну стійкість 180-189 плавок при добрій адсорбції оксидних полон сплаву внутрішньою поверхнею тигля;

- випробування корундопериклазових тиглів при плавці жароміцних сплавів відповідального призначення на нікелевій і кобальтовій основах показало середню стійкість 15-17 плавок при збільшенні виходу якісних відливок на 10 абс.% за рахунок зниження попадання в них неметалічних включень, що визначається високою здатністю корундопериклазових тиглів адсорбувати оксидні полони сплаву.

6. Розроблено технологічні параметри виробництва корундошпінельних і корундопериклазових тиглів, а також затверджено технологічну інструкцію та технічні умови на їх виробництво. Технологія виробництва тиглів впроваджена на дослідному виробництві ВАТ “УКРНДІВ імені А.С. Бережного”.

1. Исследования по разработке корундопериклазовых тиглей на основе плавленых материалов / В.В. Примаченко, В.А. Устиченко, С.В. Чаплянко и др. // Збірник наукових праць ВАТ „УКРНДІВОГНЕТРИВІВ імені А.С. Бережного”. - Харків: Каравелла, 2003. - № 103. - С. 49-57.

2. Примаченко В.В., Устиченко В.А., Чаплянко С.В. Исследование влияния плавленой шпинели с содержанием Al2O3 более 72% на свойства корундошпинельных огнеупоров // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2004. - № 33. - С. 120-126.

3. Чаплянко С.В., Устиченко В.А., Примаченко В.В. Исследование влияния диспергирующих глиноземов фирмы “Алматис” на свойства корундошпинельных тиглей // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2004. - № 40. - С. 30-36.

4. Влияние зернового состава корунда на термическую стойкость корундопериклазовых тиглей / В.В. Примаченко, В.А. Устиченко, С.В. Чаплянко и др. // Збірник наукових праць ВАТ „УКРНДІВОГНЕТРИВІВ імені А.С. Бережного. - Харків: Каравелла, 2004. - № 104. - С. 19-24.

5. Патент України, МКИ С04В35/10. Шихта для виготовлення вогнетривких виробів / В.В. Примаченко, В.А. Устіченко, Л.М. Золотухіна, С.В. Чаплянко та інш.; ВАТ „Український науково-дослідний інститут вогнетривів імені А.С. Бережного”; № 70373; Заявл. 03.01.2002; Опубл. 15.10.04 // Промислова власність. - 2004. - № 10. - С. 3.69.

6. Сопоставительные испытания в службе муллитокорундовых и корундошпинельных тиглей при плавке жаропрочных сплавов / В.В. Примаченко, В.А. Устиченко, Л.М. Колесников, Л.В. Белик, С.В. Чаплянко др. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности”. - Харьков: Каравелла. - 2001. - С. 4-5.

7. Высокостойкие корундошпинельные тигли для плавки жаропрочных сплавов / В.В. Примаченко, В.А. Устиченко, Л.В. Белик, С.В. Чаплянко // Тезисы докладов C\/I научно-технической конференции “Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов”.- Обнинск: ОНПП Технология. - 2001. - С. 35-36.

8. Устиченко В.А., Чаплянко С.В. Исследования по получению алюмомагнезиальной шпинели в высокочастотной и электродуговой печах / Тезисы докладов Международной научно-технической конференции “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности”. - Харьков: Каравелла. - 2002. - С. 32-33.

9. Примаченко В.В., Устиченко В.А., Чаплянко С.В. Изготовление опытных периклазсодержащих тиглей и их испытание при вакуумной плавке жаропрочных сплавов // Тезисы докладов международной научно-технической конференции “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности”.- Харьков: Каравелла. - 2003. - С. 17.

10. Исследования по повышению термической стойкости корундопериклазовых тиглей / В.В. Примаченко, В.А. Устиченко, С.В. Чаплянко и др. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности”.- Харьков: Каравелла. - 2004. - С. 6-7.

Размещено на .ru