Компания Xinda провела систематические технические исследования шлаковых пор, типичного металлургического дефекта, характеризующегося высокими производственными потерями и склонностью к ошибкам при изготовлении чугуна. На основе четырех аспектов, включая морфологию и распределение дефектов, механизм их образования, точный контроль и идентификацию, а также комплексную стратегию предотвращения и контроля производственного процесса, Xinda создала полную интегрированную техническую систему. Она предоставляет реализуемую и стандартизированную техническую поддержку литейным предприятиям по всему миру для решения критической проблемы массового брака отливок.

I. Распределение и морфологические характеристики шлаковых пор

Шлаковые поры демонстрируют явную позиционную тенденцию. Они в основном накапливаются на верхней заполняющей поверхности отливок, где скапливается плавающий шлак, а большое количество также прилипает к нижней поверхности песчаных стержней. Дно стержней 1 и 2, показанных на рисунке, являются типичными зонами высокого риска для этого дефекта. Большинство дефектных полостей имеют сферическую форму, в то время как небольшое количество — неправильную. Внутренняя стенка полостей покрыта серой или сине-серой композитной шлаковой пленкой из сульфидов и оксидов, а некоторые полости содержат свободные железные шарики, осажденные в процессе затвердевания. Размеры полостей варьируются дискретно, при этом диаметр пор обычно ≤10 мм, и они распределены плотными скоплениями.

Дефекты полностью проявляются после черновой обработки отливок. Заготовки со шлаковыми порами крайне сложно ремонтировать, и их практически сразу же забраковывают, что приводит к значительным производственным потерям. Внешний вид этого дефекта очень похож на инвазивные шлаковые поры и песчаные включения. Специалисты на месте часто ошибочно связывают первопричины с недостаточной сушкой формы, окислением расплавленного железа и высыпанием формовочного песка, не применяя целенаправленных решений для радикального устранения проблемы. На производственных линиях, где отсутствует контроль примесей в сырье и вспомогательных материалах, низкая температура заливки и тщательное управление технологическим процессом, частота возникновения шлаковых пор резко возрастает.

II. Металлургический механизм образования шлаковых пор

Шлаковые поры представляют собой сложные дефекты, образующиеся в результате соединения шлаковых включений и осажденного газа под действием двух последовательных металлургических реакций:

1. Образование низкоплавкого жидкого сульфидного шлака марганца

   Сера существует в расплавленном железе в виде твердого растворенного FeS, который вступает в экзотермическую реакцию замещения с Mn в расплавленном железе: FeS + Mn = Fe + MnS; образующийся MnS бесконечно смешивается с оксидным шлаком на основе оксида железа, значительно снижая температуру ликвидуса шлака и образуя жидкий композитный шлак с превосходной текучестью. Эта реакция замещения является экзотермической. Термодинамические законы указывают на то, что чем ниже температура разливки, тем сильнее тенденция прямой реакции, и выход жидкого шлака экспоненциально возрастает. Чем выше исходное содержание S и Mn в расплавленном железе, тем выше степень обогащения низкоплавкого шлака в системе, что значительно увеличивает риск дефектов.

2. Образование полостей, сосуществующих со шлаком и газом.

   После попадания жидкого шлака в полость формы вместе с расплавленным железом, он накапливается на дне стержней и верхней поверхности отливок. FeO в шлаковой фазе реагирует с углеродом в расплавленной железной матрице, образуя газ посредством восстановительной реакции: FeO + C = Fe + CO↑; в результате реакции непрерывно выпадает газообразный CO, окруженный высоковязким жидким шлаком и неспособный всплыть и выйти наружу. После затвердевания отливки образуются шлаковые поры, сосуществующие со шлаком и газом.

III. Иерархические методы точной идентификации дефектов

Для различения шлаковых пор от обычных пор и шлаковых включений компания Xinda разработала тройной стандарт идентификации, охватывающий металлографическое исследование, химический анализ и контроль технологического процесса на месте:

1. Первичный скрининг с помощью идентификации металлографической структуры.

   Металлографические образцы изготавливаются из дефектных участков. Если на границах полостей присутствуют непрерывно сегрегированные и обогащенные включения сульфида MnS, сопровождаемые диспергированными мелкими частицами оксидного шлака, дефект можно предварительно идентифицировать как шлаковую газовую шахту.

2. Точная идентификация с помощью анализа химического состава и анализа содержания серы.

   Спектральный химический анализ проводится на отливках. Когда содержание серы в расплавленном железе колеблется от 0,12% до 0,14%, а содержание марганца превышает 0,6%–0,8%, проводится анализ серного следа на дефектных поперечных сечениях. При обнаружении явных полосчатых следов сегрегации сульфидов можно полностью подтвердить наличие шлаковых газовых пор.

3. Дополнительная проверка по температуре процесса.

   Данные массового промышленного производства подтверждают, что при достижении стабильной температуры заливки ≥1300℃ образование низкоплавкого шлака MnS в системе значительно подавляется, а частота образования шлаковых пор существенно снижается.

IV. Совместные технические меры на всех этапах производственного процесса для предотвращения и контроля дефектов.

На основе полного металлургического механизма образования шлаковых пор и с учетом практического опыта крупномасштабного производства на месте разработана комплексная система предотвращения и контроля, охватывающая плавку, транспортировку, разливку и контроль соотношения компонентов:

1. Точный контроль температурного поля расплавленного железа.

   Следует применять высокотемпературный процесс разливки с минимальной конечной температурой разливки ≥1300℃. Если содержание серы в сыром расплавленном чугуне превышает стандарт, температуру разливки можно соответственно повысить на 30–50℃, чтобы предотвратить образование сульфида марганца с термодинамической точки зрения. Необходимо сократить процесс транспортировки расплавленного чугуна и строго контролировать время его выдержки в ковшах. Ковши должны быть полностью опорожнены после использования. Запрещается разливать высокотемпературный новый расплавленный чугун в ковши с остатками низкотемпературного расплавленного чугуна и шлака, чтобы избежать локальной низкотемпературной реакции сульфидирования.

2. Модернизация системы удаления шлака и блокировки шлака в разливочных ковшах.

   Для обеспечения предварительного осаждения и отделения шлака в печи следует отдавать приоритет использованию ковшей чайникообразной формы. Перед каждой переливкой из ковша необходимо добавлять шлакообразующие агенты для сбора шлака и тщательного ручного удаления шлака. В течение всего процесса переливки следует устанавливать шлакоотстойники и переливные устройства для предотвращения попадания всплывшего шлака. После периодического использования ковши следует тщательно очищать, чтобы избежать остаточного смешивания низкотемпературного шлака и расплавленного железа.

3. Структурная оптимизация литниковой системы для перехвата шлака.

   Реконструируйте горизонтальные литники и затворы, добавив многоступенчатые шлакоотводящие сооружения, такие как шлакоуловители, керамические фильтры и шлакоотводящие перегородки. Жидкий композитный шлак MnS перехватывается в месте заполнения формы, чтобы предотвратить всплывание шлака, его прилипание к дну стержня и непрерывное выделение газа.

4. Точный контроль соотношения ингредиентов для обеспечения баланса серы и марганца.

   Для обеспечения достаточного количества марганца для нейтрализации свободного сульфида железа следует придерживаться формулы баланса нейтрализации серы и марганца Mn=1,7S+0,3%. При разработке состава следует выбирать нижний предел стандартных значений содержания S и Mn, чтобы избежать избытка элементов, усугубляющего образование шлака. Если сырье содержит избыточное количество серы, не следует применять однократное увеличение содержания марганца для нейтрализации серы; приоритет следует отдавать повышению температуры разливки для контроля дефектов.