Муха Д.В., Патретна К.О., Пушкаренко М.В.

ТОВ «IНТЕРПАЙП Україна», бакалаври ДВНЗ «ПДАБА»

ПОЛІПШЕННЯ ЯКОСТІ ЛИТИХ ВАЛКІВ МОДИФІКУВАННЯМ РОЗПЛАВІВ РІДКІСНОЗЕМЕЛЬНИМИ МЕТАЛАМИ

         Рідкоземельні метали - група з 17 елементів, що включає лантан, скандій, ітрій і лантаноїди. 

         Використання рідкоземельних елементів можливо як для звичайних так і для особливих технологій. До звичайних відносять: каталізатори, металургія, скло та кераміка,  до другої - люмінофори, високоякісне та оптичне скло, електроніка. Проблема  вилучення рідкоземельних металів зі вторинної сировини є  актуальною для досліджень.

         В  роботі [1] розглянуті перспективи вилучення рідкоземельних металів з скрапу залізних сплавів, легованих РЗМ. З застосуванням рідинної екстракції в цій роботі отримані оксиди неодиму і диспрозій чистотою вище 99 %, з витягом понад 92 %. Використовують також  вилучення РЗМ з скрапу нікель-гідридних відпрацьованих акумуляторів, що містять нікель, кобальт, рідкоземельні та інші метали. На першому етапі РЗМ селективно вилуговуюють з скрапу 2 М розчином H2SO4 при температурі 20 °С. Потім, на другому етапі розчин нейтралізують NaOH і осаджують відповідні сульфати РЗМ. Загальне вилучення РЗМ на даному переділі становить приблизно 80 %.

         Телевізійні трубки та комп'ютерні монітори містять у складі своїх покриттів порошки РЗМ, головним чином європію та ітрію. В  процесі вилуговування електронного скрапу виходить розчин, який вміщує (г/л): 16,5 ітрію, 0,55 європію, 59,0 цинку, 0,20 заліза, 131,0 SO2-4, 0,20 кальцію і 2,5 алюмінію. З такого розчину РЗМ можна отримати  звичайними гідрометалургійними методами.

         У металургії РЗМ використовуються для отримання особливих сортів чавуну, сталі та сплавів кольорових металів (добавки РЗМ підвищують якість металургійної продукції, покращують їх властивості, зокрема ударостійкість, в'язкість і корозійну стійкість). Рідкісні елементи надзвичайно важливі в металургійних процесах, оскільки дозволяють підвищувати якість сплавів нікелю, сталі, алюмінію, титану. Використовуючи низьколеговані сталі, можна на 30-40% знизити вагу конструкцій при будівництві автомобілів, мостів, багатоповерхових будівель, газо- і нафтопроводів, геологорозвідувального бурового устаткування і збільшити термін їх служби в 2-3 рази. Все це обумовлює в самому найближчому майбутньому кардинальне зростання потреби в рідкісних елементах.

В даний час високоміцні чавуни є одними з найпоширеніших конструкційних матеріалів. Литі валки з високоміцні чавуни знайшли широке застосування на багатьох листо- і сортопрокатних станах як в Україні, так і за кордоном. Загальна кількість типорозмірів валків з високоміцних чавунів в різних країнах близька [2], найбільша кількість їх виробляється в Швеції (фірма AKERS) - 52,9% (34 типу), у Франції (фірма USINOR) - 47,6%  (42 типу), ФРН - 29,7% (27 типів), а в Україні – 39,2% (20 типів) (рис.1.1).

Рис. 1.1 – Випуск валків із високоміцних чавунів

 

Аналіз тенденцій розвитку цього виду техніки показав, що розвиток його йде за такими основними напрямками: удосконалення хімічного складу ливарних сплавів, способів їх отримання і складів лігатур.

До РЗМ згідно промислової класифікації металів відносяться хімічні елементи з номерами 57 ... 71 Періодичної системи Д.І.Менделєєва, які мають однакову кількість електронів на зовнішній оболонці атомів і відповідно схожі фізико-хімічні властивості. До рідкоземельних також відносять близькі до них перехідні метали третьої групи - хімічні елементи з порядковим номером 39 і 21 - ітрій і скандій.

Авторами [3] відмічено, що хоча РЗМ, як мовиться, брати - близнюки, необхідно звернути увагу на те, що іноді існують значні відмінності їх фізичних властивостей, що й позначаються на їх застосуванні. Наприклад, температура плавлення лютецію 1660ºС, а церію - 800ºС (співвідношення 2:1); гадоліній - феромагнетик, а лантан - надпровідник, густина скандію -3, а лютецію - 9 г/см3. Легкі лантаноїди легко окислюються при кімнатній температурі, тоді як важкі (гадоліній та ін.) стійкі проти окислення, тому що мають щільні оксидні плівки.

У природі РЗМ зустрічаються у вигляді мінералів, загальний вміст РЗМ в земній корі становить 10-2 мас.%, що значно більше, ніж молібдену (10-3 мас.%), нікелю (1,8х10-3 мас.%), вольфраму (7х10-3 мас.%) та ін. Рідкісноземельні елементи поділяють на дві підгрупи [4,5]: церієву (La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu) таітрієву (Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tu, Lu). Важливим джерелом отримання рідкісноземельної продукції церієвої групи є лопарит, що представляє собою тітанотанталоніобат натрію, кальцію і РЗМ. Основна кількість РЗМ в цьому мінералі відноситься до церієвої групи (~ 50 %). Для отримання ітрію різними екстракційними методами використовують комплексну піритово-фосфатну сировину. За цього спочатку проводять розділення суміші РЗМ на групи з отриманням концентрату церієвих земель, європієвого продукту, що містить в основному самарій, європій і гадоліній, і концентрату ітрієвих земель, що включає ітрій і важкі РЗМ. Потім з концентратів витягають відповідні елементи в чистому вигляді в формі різних сполук, металів і сплавів [6].

Вперше графіт кулястої форми був отриманий у сірих чавунах Кейлом (Keil O.V.) у 1930 р. У 1934 р. Кейл зі співробітниками отримали кулястий графіт (КГ) при обробці чавуну магнієм. Перше ж повідомлення про новий матеріал - ЧКГ ливарники почули 7 травня 1948 року на з'їзді американської Асоціації ливарників у Філадельфії (США). У СРСР перша стаття про ЧКГ була опублікована Б. С. Мільманом [7] в 1949 році, і вже за перші тридцять років застосування ЧКГ для виливків (1960...1990 рр.) в СРСР обсяг його виробництва зріс у 40 разів [8].

         В Україні ЧКГ вперше був отриманий в Інституті машинознавства і сільськогосподарської механіки АН УРСР у 1948 році [9]. Після цього в дослідження ЧКГ включився цілий ряд дослідних інститутів (Центральний науково-дослідний інститут важкого машинобудування, Дніпропетровський металургійний інститут та ін.).

Вперше в Україні прокатний валок з модифікованого магнієм чавуну відлили в 1949 році на Дніпропетровському чавуновальцеробному заводі (тепер ОАО «Дніпропетровський завод прокатних валків») за участю співробітників Дніпропетровського металургійного інституту, а вже в 1954 році випуск таких валків на цьому заводі склав приблизно 70% від загального випуску валків [10]. Основною перевагою нових валків були підвищені експлуатаційні характеристики матеріалу: міцність і термостійкість.

         Застосовувані на прокатних станах в даний час валки з ЧКГ різноманітні за величиною і призначенням, виготовляються з різною структурою і механічними властивостями [11]. Питанням технології лиття валків із ЧКГ, дослідженням структури, механічних і теплофізичних властивостей цього валкового матеріалу присвячені роботи багатьох українських дослідників [10-15].

 

 

Література:

1.      [Електронний ресурс] / Г. А. Колобов, А. В. Елютин // Металургія. - 2012. - Вип. 3. - С. 69-78. –  Режим доступу:  http://nbuv.gov.ua/UJRN/Metalurg_2012_3_14

2.     ТУ У 27.1–00190319–1291–2002. Валки чавунні для гарячого прокатування металів. На заміну ТУ У 14–2–1188–97; Чинний з 17.01.2003. - Х., 2002.- 32 с.

3.     Савицкий Е.М. Перспективы исследования и применения редкоземельных металлов, сплавов и соединений // Редкоземельные металлы и сплавы. - М.: Наука, 1971. - С.5 - 17.

4.     Маркова И.А., Терехова В.Ф., Савицкий Е.М. Иттрий, его сплавы и применение // Редкоземельные металлы и сплавы. - М.: Наука, 1971. - С. 24 - 28.

5.     Торчинова Р.С., Терехова В.Ф., Савицкий Е.М. Сплавы самария и европия // Редкоземельные металлы и сплавы. - М.: Наука, 1971. – С. 34 - 41.

6.     Перспективы расширения масштабов применения редкоземельных металлов в промышленности / А.П.Зефиров, Г.Е.Каплан, С.Д.Моисеев, И.И.Ануфриев // Редкоземельные металлы, сплавы и соединения. - М.: Наука, 1973. - С. 34 - 36.

7.     Мильман Б.С. Сверхпрочный чугун со сфероидальным графитом в литой структуре // Вестник машиностроения. - 1949. - №12. - С. 30–42.

8.     50 лет технологии производства высокопрочного чугуна // Литейное производство. - 1998. - №11. - С. 4.

9.     Василенко А.А., Григорьев И.С. Модифицированный чугун в машиностроении. - К.: Гостехиздат, 1950. - 166 с., ил.

10. Паршин А.И. О мерах по улучшению качества прокатных валков // Труды НТО ЧМ. - М.: Металлургиздат, 1956. - Т.Х. - С. 165-175.

11.  Будагьянц Н.А., Карсский В.Е. Литые прокатные валки. - М.: Металлургия, 1983. - 173 с.

12.  Котешов Н.П. Исследование влияния условий затвердевания на качество «полутвердых» валков из магниевого чугуна: Дис. … кандидата техн. наук.: 05.323; Защищена 31.05.1960; Утв. 30.11.1960. - Д., 1960. - 228 с.: ил.– Библиогр.: с.217–224.

13.  Колотило Е.В. Исследование и усовершенствование процессов производства листопрокатных валков из модифицированных чугунов: Дис. … кандидата техн. наук: 05.16.04; Защищена 14.11.1977; Утв. 26.04.1978. - Д., 1977. - 207 с.: ил.– Библиогр.: с. 189–201.

14.  Билярчик Р.Л. Исследование качества и совершенствование технологии отливки из чугуна с шаровидным графитом валков для непрерывных сортопрокатных станов: Автореф. дис. …канд. техн. наук: 05.16.04/ Днепропетр. металлургич. ин-т. - Д., 1973. -19 с.

15.  Вихров А.В. Разработка и внедрение новых технологических процессов легирования и модифицирования чугуна для прокатных валков: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.16.04 / Белорус. политехнич. ин–т. - Минск, 1989. - 18 с.