Study of the effect of a combined modifier from silicon production waste on the properties of gray cast iron

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. During the metallurgical production of silicon, waste is generated that accumulates in dumps, causing harm to the environment. Disposal and recycling of solid waste from silicon production is especially important because They contain important chemical compounds (silicon dioxide, silicon carbide, carbon nanotubes) that can be used in other industries, which will bring greater economic value. Considering the possibilities for extracting these useful components from silicon production waste, it is necessary to bring processing technologies to the stage of widespread practical application. Therefore, the development of a special waste processing technology to obtain a useful product in the form of a composition of silicon dioxide and silicon carbide remains an urgent problem. Purpose of the work: to study the formation of the morphological form of graphite with the introduction of nano-modifiers from silicon production waste. The work examined samples of gray cast iron after modification with a combined modifier obtained from silicon production waste. The research methods are mechanical tests for statistical tension, analysis of the chemical composition and metallographic studies. Results and discussion. It was revealed that the mechanical properties of gray cast iron increased by 30-50% after modification with a combined modifier, compared with witness samples. The morphology of graphite is an important parameter affecting the properties of cast iron. It has been established that during the modification process the morphology of graphite changes from lamellar to vermicular. Specimens of gray cast iron with vermicular form of graphite have high strength values compared to specimens of gray cast iron with lamellar form of graphite. The presented results confirm the promise of the developed approach aimed at obtaining new classes of modifiers and products made of gray cast iron with a high range of mechanical properties.

About the authors

A. I. Karlina

Email: karlinat@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3287-3298
Ph.D. (Engineering), National Research Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russian Federation, karlinat@mail.ru

V. V. Kondratiev

Email: imz@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7437-2291
Ph.D. (Engineering), A.P. Vinogradov Institute of Geochemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 1A Favorsky str., Irkutsk, 664033, Russian Federation, imz@mail.ru

I. A. Sysoev

Email: iwansys@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8561-5383
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, iwansys@mail.ru

A. D. Kolosov

Email: akolosov.irk@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2330-1813
JSC Eurosibenergo, 22 Rabochaya str., Irkutsk, 664007, Russian Federation, akolosov.irk@gmail.com

M. V. Konstantinova

Email: mavikonst@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8533-0214
Ph.D. (Chemical), Associate Professor, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, mavikonst@mail.ru

E. A. Guseva

Email: el.guseva@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-8719-7728
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, el.guseva@rambler.ru

References

  1. Evaluation of the effect of modifier composition with nanostructured additives on grey cast iron properties / V.V. Kondrat’;ev, A.E. Balanovskii, N.A. Ivanov, V.A. Ershov, M.V. Kornyakov // Metallurgist. – 2014. – Vol. 58. – P. 377–387. – doi: 10.1007/s11015-014-9919-x.
  2. Исследования и разработка рецептуры наномодифицированного чугуна для ниппелей анодов алюминиевых электролизеров / В.В. Кондратьев, А.О. Мехнин, Н.А. Иванов, Ю.В. Богданов, В.А. Ершов // Металлург. – 2012. – № 1. – С. 69–71.
  3. Новые технологические решения по переработке отходов кремниевого и алюминиевого производств / В.В. Кондратьев, Н.В. Немчинова, Н.А. Иванов, В.А. Ершов, И.А. Сысоев // Металлург. – 2013. – № 5. – С. 92–95.
  4. Евсеев Н.В., Тютрин А.А., Пастухов М.П. Гранулирование пылевых отходов кремниевого производства для возврата в технологический процесс // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2019. – Т. 23, № 4. – С. 805–815. – doi: 10.21285/1814-3520-2019-4-805-815.
  5. Бабков В.В., Габитов А.И., Сахибгареев P.P. Аморфный микрокремнезем в процессах структурообразования и упрочнения цементного камня // Башкирский химический журнал. – 2007. – Т. 17, № 3. – С. 206–210.
  6. AlTawaiha H., Alhomaidat F., Eljufout T. A review of the effect of nano-silica on the mechanical and durability properties of cementitious composites // Infrastructures. – 2023. – Vol. 8 (9). – P. 132. – doi: 10.3390/infrastructures8090132.
  7. Карлина А.И. Технология переработки пыли газоочистки призводства кремния в модифицирующие нанодобавки для чугунов: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.16.07 / Карлина Антонина Игоревна; Институт металлургии УрО РАН. – Екатеринбург, 2019. – 24 с.
  8. Reexamination of crystal growth theory of graphite in iron-carbon alloys / D.M. Stefanescu, G. Alonso, P. Larrañaga, E. De la Fuente, R. Suarez // Acta Materialia. – 2017. – Vol. 139. – P. 109–121. – doi: 10.1016/j.actamat.2017.08.004.
  9. Three-stage model for nucleation of graphite in grey cast iron / I. Riposan, M. Chisamera, S. Stan, C. Hartung, D. White // Materials Science and Technology. – 2010. – Vol. 26 (12). – P. 1439–1447. – doi: 10.1179/026708309X12495548508626.
  10. Stefan E., Riposan I., Chisamera M. Application of thermal analysis in solidification pattern control of La-inoculated grey cast irons // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. – 2019. – Vol. 138. – P. 2491–2503. – doi: 10.1007/s10973-019-08714-7.
  11. Effects of inoculation on structure characteristics of high silicon ductile cast irons in thin wall castings / I. Riposan, E. Stefan, S. Stan, N.R. Pana, M. Chisamera // Metals. – 2020. – Vol. 10 (8). – P. 1091. – doi: 10.3390/met10081091.
  12. Riposan I., Skaland T. Modification and inoculation of cast iron // Cast Iron Science and Technology. – ASM International, 2017. – P. 160–176. – (ASM Handbook; vol. 1A). – doi: 10.31399/asm.hb.v01a.a0006315.
  13. Graphite compactness degree and nodularity of high-Si ductile iron produced via permanent mold versus sand mold casting / D.-E. Anca, I. Stan, I. Riposan, S. Stan // Materials. – 2022. – Vol. 15. – P. 2712. – doi: 10.3390/ma15082712.
  14. Sommerfeld A., Tonn B. Theory of graphite nucleation in lamellar graphite cast iron // International Journal of Metalcasting. – 2009. – Vol. 3. – P. 39–47. – doi: 10.1007/BF03355457.
  15. Double D.D., Hellawell A. The nucleation and growth of graphite–the modification of cast iron // Acta Metallurgica et Materialia. – 1995. – Vol. 43 (6). – P. 2435–2442. – doi: 10.1016/0956-7151(94)00416-1.
  16. Growth of large-area graphene films from metal–carbon melts / S. Amini, J. Garay, G. Liu, A.A. Balandin, R. Abbaschian // Journal of Applied Physics. – 2010. – Vol. 108 (9). – P. 094321. – doi: 10.1063/1.3498815.
  17. Growth of graphene and graphite nanocrystals from a molten phase / S. Amini, H. Kalaantari, J. Garay, A.A. Balandin, R. Abbaschian // Journal of Materials Science. – 2011. – Vol. 46 (19). – P. 6255–6263. – doi: 10.1007/s10853-011-5432-9.
  18. On the crystallization of graphite from liquid Iron-carbon-silicon melts / D.M. Stefanescu, G. Alonso, P. Larrañaga, E. De la Fuente, R. Suárez // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 107. – P. 102–126. – doi: 10.1016/j.actamat.2016.01.047.
  19. Formation of complex nuclei in graphite nodules of cast iron / J. Qing, S. Lekakh, M. Xu, D. Field // Carbon. – 2021. – Vol. 171. – P. 276–288. – doi: 10.1016/j.carbon.2020.08.022.
  20. Theuwissen K., Lacaze J., Laffont L. Structure of graphite precipitates in cast iron // Carbon. – 2016. – Vol. 96. – P. 1120–1128. – doi: 10.1016/j.carbon.2015.10.066.
  21. Amini S., Abbaschian R. Nucleation and growth kinetics of graphene layers from a molten phase // Carbon. – 2013. – Vol. 51. – P. 110–123. – doi: 10.1016/j.carbon.2012.08.019.
  22. ASTM A247-67(1998)e1. Standard test method for evaluating the microstructure of graphite in iron castings. – West Conshohocken, PA: ASTM International, 1967.
  23. DIN EN ISO 945-1–2019. Микроструктура литейного чугуна. Ч. 1. Классификация графита с применением визуального анализа. – 40 c.
  24. ГОСТ 3443–87. Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры: взамен ГОСТ 3443–77: введ. 01.07.88: переизд. февр. 2003 г. – М.: Изд-во стандартов, 2003. – 42 с.
  25. ISO 16112:2006. Compacted (vermicular) graphite cast irons – Classifications. – Switzerland: International Organization for Standardization, 2006. – 23 p.
  26. König M. Literature review of microstructure formation in compacted graphite iron // International Journal of Cast Metals Research. – 2010. – Vol. 23 (3). – P. 185–192. – doi: 10.1179/136404609X12535244328378.
  27. König M., Wessén M. Influence of alloying elements on microstructure and mechanical properties of CGI // International Journal of Cast Metals Research. – 2010. – Vol. 23 (2). – P. 97–110. – doi: 10.1179/136404609X12505973098972.
  28. Stefanescu D.M., Alonso G., Suarez R. Recent developments in understanding nucleation and crystallization of spheroidal graphite in iron-carbon-silicon alloys // Metals. – 2020. – Vol. 10. – P. 221. – doi: 10.3390/met10020221.
  29. Lacaze J., Castro-Roman M.J. Comment on Stefanescu, D.M.; Alonso, G.; Suarez, R. Recent developments in understanding nucleation and crystallization of spheroidal graphite in iron-carbon-silicon alloys. Metals 2020, 10, 221 // Metals. – 2020. – Vol. 10 (4). – P. 471. – doi: 10.3390/met10040471.
  30. Damage mechanism and fatigue strength prediction of compacted graphite iron with different microstructures / Y. Chen, J.C. Pang, S.X. Li, C.L. Zou, Z.F. Zhang // International Journal of Fatigue. – 2022. – Vol. 164. – P. 107126. – doi: 10.1016/j.ijfatigue.2022.107126.
  31. Влияние модифицирования ультрадисперсными порошками оксидов тугоплавких металлов и криолита на структуру, механические свойства и разрушение чугуна СЧ25 / А.П. Зыкова, Д.В. Лычагин, А.В. Чумаевский, И.А. Курзина, М.Ю. Новомейский // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2014. – Vol. 57 (11). – С. 37–42. – doi: 10.17073/0368-0797-2014-11-37-42.
  32. Улучшение свойств серого чугуна кремнийдиоксид и углеродными наноструктурами / В.В. Кондратьев, Н.А. Иванов, А.Е. Балановский, Н.Н. Иванчик, А.И. Карлина // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. – 2016. – Т. 9 (5). – С. 671–685. – doi: 10.17516/1999-494X-2016-9-5-671-685.
  33. Оценка влияния состава модификатора с наноструктурными добавками на свойства серого чугуна / В.В. Кондратьев, А.Е. Балановский, Н.А. Иванов, В.А. Ершов, М.В. Корняков // Металлург. – 2014. – № 5. – С. 48–56.
  34. Болдырев Д.А., Чайкин В.А., Чайкин A.B. Применение смесевых комплексных модификаторов с кальций-стронциевым карбонатом при получении отливок деталей легкового автомобиля из высокопрочного и серого чугунов // Литейщик России. – 2010. – № 1. – С. 21–26.
  35. Svidró P., Diószegi A. On problems of volume change measurements in lamellar cast iron // International Journal of Cast Metals Research. – 2014. – Vol. 27 (1). – P. 26–37. – doi: 10.1179/1743133613Y.0000000075.
  36. Cao M., Baxevanakis K.P., Silberschmidt V.V. Effect of graphite morphology on the thermomechanical performance of compacted graphite iron // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 473. – doi: 10.3390/met13030473.
  37. Integrated system of thermal/dimensional analysis for quality control of metallic melt and ductile iron casting solidification / S. Stan, M. Chisamera, I. Riposan, L. Neacsu, A.M. Cojocaru, I. Stan // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2018. – Vol. 27. – P. 5187–5196. – doi: 10.1007/s11665-018-3303-0.
  38. Xijun D., Peiyue Z., Qifu L. Structure and formation of vermicular graphite // MRS Online Proceedings Library. – 1984. – Vol. 34. – P. 141–150. – doi: 10.1557/PROC-34-141.
  39. Stefanescu D.M., Suarez R., Kim S.B. 90 years of thermal analysis as a control tool in the melting of cast iron // China Foundry. – 2020. – Vol. 17. – P. 69–84. – doi: 10.1007/s41230-020-0039-x.
  40. Effect of the type of inoculant on the shrinkage porosity of high-silicon SG iron / G. Alonso, D.M. Stefanescu, J. Sanchez, G. Zarrabeitia, R. Suarez // International Journal of Metalcasting. – 2022. – Vol. 16. – P. 106–118. – doi: 10.1007/s40962-021-00605-8.
  41. Влияние нанопорошков тугоплавких соединений на свойства серого чугуна / А.Н. Черепанов, В.О. Дроздов, В.К. Манолов, В.А. Полубояров // Тяжелое машиностроение. – 2012. – № 8. – С. 8–11.
  42. Повышение качества чугунных отливок с помощью нанопорошков / Г.Г. Крушенко, И.С. Ямских, А.А. Бонченков, А.С. Мишин // Металлургия машиностроения. – 2002. – № 2 (9). – С. 20–21.
  43. Hybrid processing: the impact of mechanical and surface thermal treatment integration onto the machine parts quality / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, A.V. Kutyshkin, K.A. Parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126 (1). – P. 012016. – doi: 10.1088/1757-899x/126/1/012016.
  44. Research on the possibility of lowering the manufacturing accuracy of cycloid transmission wheels with intermediate rolling elements and a free cage / E.A. Efremenkov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, M.V. Grechneva, A.V. Olisov, A.D. Ens // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 5. – doi: 10.3390/app12010005.
  45. Martyushev N.V., Skeeba V.Yu. The method of quantitative automatic metallographic analysis // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 803 (1). – P. 012094. – doi: 10.1088/1742-6596/803/1/012094.
  46. Skeeba V.Yu., Ivancivsky V.V. Reliability of quality forecast for hybrid metal-working machinery // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2018. – Vol. 194 (2). – P. 022037. – doi: 10.1088/1755-1315/194/2/022037.
  47. Defining efficient modes range for plasma spraying coatings / E.A. Zverev, V.Yu. Skeeba, P.Yu. Skeeba, I.V. Khlebova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2017. – Vol. 87 (8). – P. 082061. – doi: 10.1088/1755-1315/87/8/082061.
  48. Скиба В.Ю. Гибридное технологическое оборудование: повышение эффективности ранних стадий проектирования комплексированных металлообрабатывающих станков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – С. 62–83. – doi: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-62-83.
  49. Исследование процесса автоматического управления сменой полярности тока в условиях гибридной технологии электрохимической обработки коррозионностойких сталей / М.А. Борисов, Д.В. Лобанов, А.С. Янюшкин, В.Ю. Скиба // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 1. – С. 6–15. – doi: 10.17212/1994-6309-2020-22.1-6-15.
  50. Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264. – doi: 10.1007/s11015-022-01271-9.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».