RU2440214C1 - Method of producing thick-wall castings from cast iron with spherical graphite - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering. ^ SUBSTANCE: invention relates to metal forming, namely, to producing housings of containers intended for storage and transportation of waste nuclear fuel and other radioactive wastes. Proposed method comprises iron smelting in two furnaces, spheroidising liquid iron in teeming ladle. Iron is filled in charging ladle. Mould consists of outer lateral iron mould, top and bottom half-moulds and central cooled core. Iron is modified in charging ladle by the mix of microcrystalline rich alloys making 0.21-0.6%. Modifying mix consists of alloys Si-Mg, Si-Ba and Si-REM taken in the following ratio: 1:1:(0.5Ç1.0). Iron is charged into mould cavity is carried out through all feeders at a time after homogenising for 1Ç5 minutes. ^ EFFECT: eliminating casting defects, higher isotropism of metal properties over casting section. ^ 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам изготовления крупнотоннажных и толстостенных отливок из чугуна с шаровидным графитом, преимущественно корпусов контейнеров для транспортировки отработавшего ядерного топлива и других радиоактивных отходов.The invention relates to foundry, in particular to methods for manufacturing large-capacity and thick-walled castings of nodular cast iron, mainly container bodies for transporting spent nuclear fuel and other radioactive waste.

Известен способ (или применение специальной литейной формы) для отливки толстостенных корпусов контейнеров для транспортировки и хранения радиоактивных отходов из чугуна с шаровидным графитом, включающий сфероидизирующую обработку исходного расплава, модифицирование и заливку чугуна в песчаную охлаждаемую литейную форму, в которой охлаждающие трубы расположены в стенке формы и центрального стержня на расстоянии от охлаждаемой поверхности не более 100 мм (см. патент ФРГ DE 3120221 С3, МКИ B22D 15/00). За счет охлаждения формовочной смеси стенок формы и центрального стержня прежде всего исключают разрушение формы в процессе заливки от высокого давления жидкого металла. За счет охлаждения стенок формы в процессе кристаллизации чугуна сокращают до 80% время затвердевания, что способствует формированию более равномерной структуры металла отливки.A known method (or the use of a special casting mold) for casting thick-walled containers for transporting and storing radioactive waste from nodular cast iron, including spheroidizing treatment of the initial melt, modifying and pouring cast iron into a sand cooled casting mold, in which cooling pipes are located in the mold wall and the central rod at a distance from the cooled surface of not more than 100 mm (see German patent DE 3120221 C3, MKI B22D 15/00). Due to the cooling of the molding mixture of the walls of the mold and the central core, the destruction of the mold during the pouring process from high pressure liquid metal is primarily excluded. By cooling the walls of the mold during the crystallization of cast iron, the solidification time is reduced to 80%, which contributes to the formation of a more uniform structure of the casting metal.

Недостатком известного способа является получение в толстостенной отливке значительной доли включений шаровидного графита неправильной и компактной формы и выделение относительно небольшого числа графитных включений, так как из-за длительной процедуры заливки в форму больших масс жидкого чугуна за большой период времени, проходящий от момента модифицирования в ковше до начала кристаллизации металла, существенно снижается сфероидизирующий эффект магния и уменьшается количество эффективных центров кристаллизации графита, обусловленное затуханием эффекта графитизирующего модифицирования.The disadvantage of this method is to obtain in a thick-walled casting a significant proportion of inclusions of spherical graphite of irregular and compact shape and the allocation of a relatively small number of graphite inclusions, since due to the lengthy procedure of pouring large masses of molten iron into the mold for a long period of time from the moment of modification in the ladle before the crystallization of the metal, the spheroidizing effect of magnesium is significantly reduced and the number of effective centers of graphite crystallization decreases, Goes damping effect inoculation.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ изготовления толстостенных корпусов контейнеров из чугуна с шаровидным графитом (см. патент ФРГ DE 3324 С2, МКИ B22D 15/00), включающий выплавку исходного расплава, сфероидизирующую обработку магнием, модифицирование в литниковой чаше путем растворения в расплаве зернистого модификатора и заливку жидкого чугуна в литейную форму, состоящую из внешнего бокового кокиля, верхней (перекрывающей) и нижней (опорной) полуформ и центрального стержня, образующих полость для отливки, литниково-питающую систему и заливочную чашу.The closest adopted for the prototype is a method of manufacturing thick-walled cases of containers of spheroidal cast iron containers (see German patent DE 3324 C2, MKI B22D 15/00), which includes smelting of the initial melt, spheroidizing treatment with magnesium, modification in a sprue bowl by dissolving in melt granular modifier and pouring molten iron into a mold, consisting of an external side mold, upper (overlapping) and lower (supporting) half molds and a central rod forming a cavity for casting, gating th system and the pouring basin.

Недостатками этого способа являются:The disadvantages of this method are:

- получение в толстостенной отливке значительной доли включений графита неправильной шаровидной и компактной формы из-за существенного снижения сфероидизирующего эффекта магния за большой период времени, проходящий от момента сфероидизирующей обработки в ковше до начала кристаллизации металла в форме;- obtaining in a thick-walled casting a significant proportion of inclusions of graphite of irregular spherical and compact shape due to a significant reduction in the spheroidizing effect of magnesium over a long period of time, passing from the moment of spheroidizing treatment in the ladle to the start of crystallization of the metal in the mold;

- повышенное количество неметаллических включений в металле, являющихся продуктами взаимодействия модификатора с компонентами чугуна и поступающих вместе с металлом непосредственно в литейную форму.- an increased number of non-metallic inclusions in the metal, which are the products of the interaction of the modifier with the components of cast iron and coming directly with the metal into the mold.

Предложенный способ отличается тем, что что модифицирование производят одновременно смесью микрокристаллических лигатур в количестве 0,21…0,6%, состоящей из сплавов Si-Mg, Si-Ba и Si-РЗМ в соотношении 1:1:(0,5…1,0), при этом используют литейную форму с охлаждаемым центральным стержнем и с заливочной чашей, снабженной питателями, перекрываемыми стопорными устройствами, и вмещающей весь необходимый для заливки в форму жидкий чугун, а заливку чугуна в полость литейной формы производят одновременно через все питатели после гомогенизирующей выдержки в заливочной чаше в течение 1…5 минут.The proposed method is characterized in that the modification is carried out simultaneously with a mixture of microcrystalline ligatures in an amount of 0.21 ... 0.6%, consisting of Si-Mg, Si-Ba and Si-REM alloys in a ratio of 1: 1: (0.5 ... 1 , 0), using a mold with a cooled central core and a pouring bowl equipped with feeders, overlapping locking devices, and containing all the liquid cast iron necessary for pouring into the mold, and cast iron is poured into the mold cavity simultaneously through all feeders after the homogenizing excerpts in an olive bowl for 1 ... 5 minutes.

В качестве микрокристаллических лигатур используют преимущественно сплавы Si-Mg с содержанием 5…9% Mg, Si-Ba с содержанием 22…30% Ba и Si-РЗМ с содержанием 25…35% РЗМ.As microcrystalline ligatures, mainly Si-Mg alloys with a content of 5 ... 9% Mg, Si-Ba with a content of 22 ... 30% Ba and Si-REM with a content of 25 ... 35% REM are mainly used.

Заливочную чашу перегораживают пластинами, выполненными из растворяемого в жидком чугуне материала, например, из стального листа, и образующими полости, в которые засыпают модифицирующую смесь.The filling cup is partitioned with plates made of material dissolved in liquid iron, for example, from a steel sheet, and forming cavities into which the modifying mixture is filled.

Технический эффект заключается в устранении дефектов структуры литья, измельчении структурных составляющих, получении преимущественно ферритной металлической основы высокопрочного чугуна в литом состоянии и повышении изотропности свойств металла по сечению отливки.The technical effect consists in eliminating defects in the casting structure, grinding the structural components, obtaining a predominantly ferritic metal base of high-strength cast iron in a cast state and increasing the isotropic properties of the metal over the casting cross section.

Предложенная комбинация технологии модифицирования, соотношения компонентов модифицирующей смеси и техники литья обеспечивает усиление сфероидизирующего и графитизирующего эффекта, регулируемое по интенсивности охлаждение внутренней полости отливки и выравнивание теплоотвода от ее внутренней и внешней поверхностей в период затвердевания. В конечном результате повышается изотропность структуры и свойств металла по сечению литой толстостенной заготовки.The proposed combination of the modification technology, the ratio of the components of the modifying mixture and the casting technique provides an increase in the spheroidizing and graphitizing effect, intensity-controlled cooling of the internal cavity of the casting and alignment of the heat sink from its internal and external surfaces during the solidification period. The end result is increased isotropy of the structure and properties of the metal over the cross section of the cast thick-walled workpiece.

Модифицирующая смесь в количестве 0,21…0,6% от массы заливаемого жидкого чугуна обеспечивает эффективное воздействие на жидкое состояние чугуна. При этом каждый инградиент этой смеси выполняет свою роль. Сплав Si-Mg усиливает сфероидизирующий эффект, Si-Ba обеспечивает более длительный графитизирующий эффект и снятие отбела, а Si-РЗМ нейтрализует вредное влияние примесных элементов (Ti, Pb, Sn и др.) на формирование шаровидной формы графита за счет связывания их в устойчивые интерметаллические соединения. Присадка модифицирующей смеси в количестве менее 0,21% не обеспечивает эффективного влияния на расплав чугуна, а величина присадки более 0,6% нецелесообразна из экономических соображений.The modifying mixture in an amount of 0.21 ... 0.6% by weight of the molten liquid cast iron provides an effective effect on the liquid state of cast iron. Moreover, each ingredient of this mixture performs its role. The Si-Mg alloy enhances the spheroidizing effect, Si-Ba provides a longer graphitizing effect and bleaching, and Si-REM neutralizes the harmful effect of impurity elements (Ti, Pb, Sn, etc.) on the formation of spherical graphite by binding them to stable intermetallic compounds. The additive of the modifying mixture in an amount of less than 0.21% does not provide an effective effect on the cast iron melt, and the additive value of more than 0.6% is impractical for economic reasons.

Гомогенизирующая выдержка расплава в заливочной чаше в течение 1…5 минут способствует полному растворению и взаимодействию присадки с компонентами жидкого чугуна и всплытию на поверхность неметаллических включений. Выдержка менее 1 минуты не обеспечивает вышеуказанного эффекта, а более длительная выдержка приводит к недопустимому снижению температуры расплава.Homogenizing exposure of the melt in the pouring bowl for 1 ... 5 minutes contributes to the complete dissolution and interaction of the additive with the components of molten cast iron and the ascent to the surface of non-metallic inclusions. Exposure less than 1 minute does not provide the above effect, and a longer exposure leads to an unacceptable decrease in the temperature of the melt.

Размещение модифицирующей смеси в полости, образованной перегораживающими пластинами из растворимого в чугуне материала вблизи места падения струи заливаемого из разливочного ковша металла в сравнении с методом подачи присадки на струю способствует более равномерному и полному послойному растворению смеси по мере протекания жидкого чугуна над смесью, а полное разрушение перегородки к концу процесса заполнения жидким чугуном заливочной чаши обеспечивает и полное опустошение чаши при сливе металла в литейную форму.The placement of the modifying mixture in the cavity formed by the partition plates of soluble material in cast iron near the place where the jet falls of the metal poured from the casting ladle in comparison with the filler filler method contributes to a more uniform and complete layer-by-layer dissolution of the mixture as liquid iron flows over the mixture, and complete destruction partitions to the end of the process of filling with cast iron liquid casting bowl provides complete emptying of the bowl when the metal is drained into the mold.

На чертеже представлена схема используемой в заявленном способе литейной формы.The drawing shows a diagram used in the inventive method of the mold.

Форма содержит нижнюю полуформу 1, установленную на металлическом опорном поддоне, боковой кокиль 2, охлаждаемый центральный стержень 3 из высокотеплопроводной формовочной смеси с внутренней полостью для подачи хладоагента и удаления образующихся газов и верхнюю полуформу 4 с элементами литниково-питающей системы 5, образующие полость для отливки, а также установленную на верхней полуформе заливочную чашу 6 с литниковыми каналами, перекрываемыми стопорными устройствами 7, и полость, образованную перегораживающей пластиной 8 из растворяемого в жидком чугуне материала для размещения модифицирующей смеси 9.The mold contains a lower half-mold 1 mounted on a metal support pallet, a side chill mold 2, a cooled central rod 3 of a highly conductive molding mixture with an internal cavity for supplying refrigerant and removing the generated gases, and an upper half-mold 4 with elements of the gate-feeding system 5 forming a cavity for casting as well as a casting bowl 6 installed on the upper half-mold with gate channels blocked by locking devices 7, and the cavity formed by the partition plate 8 from material in molten iron to accommodate the modifying mixture 9.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.The proposed method is as follows.

Выплавленный жидкий обработанный магнием перегретый чугун в необходимом количестве из разливочного ковша переливается в заливочную чашу 6 собранной и подготовленной к заливке литейной формы (см. чертеж). По мере поступления жидкий чугун протекает над модифицирующей смесью, послойно растворяя ее и взаимодействуя с ней. К концу процесса заполнения заливочной чаши жидким чугуном перегораживающая пластина полностью растворяется. Далее производится выдержка жидкого чугуна в заливочной чаше, при которой наиболее полно протекают все реакции взаимодействия модифицирующей присадки с компонентами жидкого чугуна, происходит гомогенизация расплава во всем объеме и всплытие в шлак продуктов реакции. После достижения заданной температуры заливки стопорные устройства 7 одновременно поднимаются и жидкий чугун через литниковые каналы сверху заполняет полость формы. При таком способе заливки обеспечивается последующая направленная кристаллизация отливки снизу вверх за счет поступления последних горячих порций металла непосредственно в прибыли и эффективное питание кристаллизующегося металла, исключающее образование усадочных дефектов. Одновременно включают систему подачи хладоагента в охлаждающую полость центрального стержня 3, который забирает избыточное тепло и выравнивает теплоотдачу между внутренними и наружными частями отливки. За счет ускоренного теплоотвода через боковой холодильник, быстро поглощающий выделяемое залитым металлом тепло, а также за счет интенсивного отвода тепла через центральный стержень происходит ускоренное и равномерное по сечению стенки затвердевание отливки.The molten liquid treated with magnesium overheated cast iron in the required quantity from the casting ladle is poured into the pouring bowl 6 of the assembled and prepared for casting mold (see drawing). As it arrives, molten iron flows over the modifying mixture, dissolving it in layers and interacting with it. By the end of the process of filling the filling bowl with molten iron, the partition plate completely dissolves. Then, molten iron is held in the pouring bowl, in which all reactions of the interaction of the modifying additive with the components of molten iron most fully occur, the melt is homogenized in its entirety and the reaction products float to slag. After reaching the set pouring temperature, the locking devices 7 simultaneously rise and the molten iron through the gate channels from above fills the mold cavity. With this casting method, subsequent directional crystallization of the casting is provided from the bottom up due to the receipt of the last hot portions of the metal directly in profit and efficient feeding of the crystallizing metal, eliminating the formation of shrinkage defects. At the same time, a coolant supply system is included in the cooling cavity of the central rod 3, which collects excess heat and evens out heat transfer between the internal and external parts of the casting. Due to the accelerated heat removal through the side cooler, which quickly absorbs the heat released by the cast metal, as well as due to the intense heat removal through the central rod, the casting accelerates and uniformly cross-section through the wall section.

После охлаждения отливки до заданной температуры подачу хладоагента прекращают, форму разбирают, извлекают отливку и направляют на проведение финишных операций.After cooling the casting to a predetermined temperature, the refrigerant supply is stopped, the mold is disassembled, the casting is removed and sent for finishing operations.

Предлагаемый способ использовали для изготовления отливки полномасштабной модели корпуса контейнера из чугуна с шаровидным графитом марки ВЧ40 для транспортного упаковочного комплекта.The proposed method was used for casting a full-scale model of the container body of cast iron with spherical graphite grade VCh40 for transport packaging.

Корпус контейнера имел следующие размеры, мм:The container body had the following dimensions, mm:

наружный диаметрoutside diameter 14501450 внутренний диаметрinner diameter 740740 высота (длина)height (length) 44804480 толщина стенки wall thickness 355355

Масса отливки 40 тонн, масса требуемого жидкого чугуна для отливки ≈50 тонн.The mass of the casting is 40 tons, the mass of the required molten iron for casting is ≈50 tons.

Плавку чугуна для изготовления опытной отливки проводили одновременно в двух печах ИЧТ 25, емкостью 25 т. В качестве шихтовых материалов применяли передельный чугун следующего состава, мас.%: C - 4,39; Si - 1.14; Mn - 0,022; S - 0,01; P - 0,045; Cr - 0,01; возврат производства высокопрочного чугуна марки ВЧ40 и стальной лом марки 1А.Cast iron was melted for the manufacture of experimental casting simultaneously in two ICHT 25 furnaces, with a capacity of 25 tons. Concentrated cast iron of the following composition was used as charge materials, wt.%: C - 4.39; Si - 1.14; Mn - 0.022; S is 0.01; P - 0.045; Cr - 0.01; return to production of high-strength cast iron grade VCh40 and steel scrap grade 1A.

Сфероидизирующую обработку проводили в разливочном ковше емкостью 50 т при сливе в него исходного жидкого чугуна поочередно из 2-х печей. В качестве сфероидизирующего модификатора для получения шаровидной формы графита использовали Ni-Mg лигатуру (16% Mg) фракции 15-50 мм в количестве 0,9%. Лигатуру загружали на дно ковша перед выпуском в него из печи жидкого чугуна.Spheroidizing treatment was carried out in a casting ladle with a capacity of 50 tons by pouring the initial molten iron into it from one of two furnaces in turn. As a spheroidizing modifier for producing spherical graphite, Ni-Mg ligature (16% Mg) of a fraction of 15-50 mm in an amount of 0.9% was used. The ligature was loaded onto the bottom of the bucket before the release of molten iron from the furnace.

После сфероидизирующей обработки в ковше и удаления образовавшегося шлака жидкий чугун переливали в заливочную чашу подготовленной литейной формы. Заливочную чашу вблизи падения из ковша струи металла перегораживали стальной пластинной и в образующуюся полость засыпали модифицирующую смесь из микрокристаллических лигатур фракций 1…3 мм в количестве ~0,4%, состоящую из 5%-ной Si-Mg лигатуры (0,15%), лигатуры SiBaR22 (0,15%) и лигатуры ФС30РЗМ30 (0,1%) в соотношении 1:1:0,7. Процесс модифицирования проходил спокойно, без пирроэфекта и дымовыделения и заканчивался практически к моменту полного опорожнения разливочного ковша. После гомогенизирующей выдержки в течение 3 минут и достижения температуры расплава в заливочной чаше ~1300°C производили заливку формы через прибыльные полости путем одновременного поднятия 3-х стопоров. Общая продолжительность процесса от момента слива металла из печи в разливочный ковш до заливки в литейную форму составила ~29 мин.After spheroidizing treatment in the ladle and removing the resulting slag, molten iron was poured into the casting pan of the prepared casting mold. A pouring bowl near a fall from a bucket of a metal stream was partitioned off with a steel plate and a modifying mixture of microcrystalline ligatures of fractions 1 ... 3 mm in an amount of ~ 0.4%, consisting of 5% Si-Mg ligature (0.15%) was poured into the cavity formed , ligatures SiBaR22 (0.15%) and ligatures FS30RZM30 (0.1%) in a ratio of 1: 1: 0.7. The modification process took place calmly, without pyroeffect and smoke emission and ended almost by the time the casting ladle was completely emptied. After homogenizing for 3 minutes and reaching the melt temperature in the pouring bowl of ~ 1300 ° C, the mold was cast through profitable cavities by simultaneously raising 3 stoppers. The total duration of the process from the moment of pouring metal from the furnace into the casting ladle to pouring it into the mold was ~ 29 min.

Содержание магния в чугуне на разных этапах отбора проб составило, мас.%:The magnesium content in cast iron at different stages of sampling was, wt.%:

- в разливочном ковше после сфероидизирующей обработки - 0,08;- in the casting ladle after spheroidizing treatment - 0.08;

- в заливочной чаше перед заливкой чугуна в форму - 0,07;- in the pouring bowl before pouring the cast iron into the mold - 0.07;

- в приливной пробе - 0,06;- in a tidal sample - 0.06;

- в теле отливки 0,045…0,052.- in the body of the casting 0,045 ... 0,052.

Механические свойства чугуна с шаровидным графитом в стенке отливки имеют следующие значения:The mechanical properties of nodular cast iron in the wall of the casting have the following meanings:

- временное сопротивление разрыву при растяжении (R_m) - 320…350 МПа,- temporary tensile strength in tension (R _m ) - 320 ... 350 MPa,

- относительное удлинение (A₅) - 13…18%.- elongation (A ₅ ) - 13 ... 18%.

Claims (3)

1. Способ изготовления толстостенных отливок из чугуна с шаровидным графитом, включающий выплавку исходного расплава, сфероидизирующую обработку магнием, модифицирование в литниковой чаше путем растворения в расплаве зернистого модификатора и заливку жидкого чугуна в литейную форму, состоящую из внешнего бокового кокиля, верхней перекрывающей и нижней опорной полуформ и центрального стержня, образующих полость для отливки, литниково-питающую систему и заливочную чашу, отличающийся тем, что модифицирование производят одновременно смесью микрокристаллических лигатур в количестве 0,21…0,6%, состоящей из сплавов Si-Mg, Si-Ba и Si-РЗМ в соотношении 1:1:(0,5…1,0), при этом используют литейную форму с охлаждаемым центральным стержнем и с заливочной чашей, снабженной питателями, перекрываемыми стопорными устройствами, и вмещающей весь необходимый для заливки в форму жидкий чугун, а заливку чугуна в полость литейной формы производят одновременно через все питатели после гомогенизирующей выдержки в заливочной чаше в течение 1…5 мин.1. A method of manufacturing thick-walled castings of nodular cast iron, comprising smelting the initial melt, spheroidizing treatment with magnesium, modifying in a gating cup by dissolving granular modifier in the melt, and pouring molten iron into a mold consisting of an external side mold, an upper overlapping and lower supporting a half-mold and a central rod forming a cavity for casting, a gate-feeding system and a casting bowl, characterized in that the modification is carried out simultaneously with Sew microcrystalline ligatures in an amount of 0.21 ... 0.6%, consisting of Si-Mg, Si-Ba and Si-REM alloys in a ratio of 1: 1: (0.5 ... 1.0), using a mold with cooled central rod and with a pouring bowl equipped with feeders, overlapping locking devices, and containing all the liquid cast iron necessary for pouring into the mold, and casting of cast iron into the mold cavity is carried out simultaneously through all feeders after homogenizing soaking in the pouring bowl for 1 ... 5 min . 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют сплавы Si-Мg с содержанием 5…9% Mg, Si-Ba с содержанием 22…30% Ba и Si-РЗМ с содержанием 25…35% РЗМ.2. The method according to claim 1, characterized in that the use of Si-Mg alloys with a content of 5 ... 9% Mg, Si-Ba with a content of 22 ... 30% Ba and Si-REM with a content of 25 ... 35% REM. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что заливочную чашу перегораживают пластинами, выполненными из растворяемого в жидком чугуне материала, например из стального листа, и образующими полости, в которые засыпают модифицирующую смесь. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the pouring cup is partitioned by plates made of material dissolved in liquid iron, for example, from a steel sheet, and forming cavities into which the modifying mixture is filled.