автореферат диссертации по металлургии, 05.16.03, диссертация на тему:Управление процессами плавления, транспортировки и кристаллизации металла при ЭШП

РГБ ОД

1 7 ОПТ !Зг:8

На правах рукописи

ЧУ1ШЮЗ Илья Валерьевич

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ПЛАВЛЕНИЯ, ТРАНСПОРТИРОВКИ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЫЕТАЛЯД ПРИ ЗШП

Специальность 05.16.03 - "Ыаталлургия черных, цветных

и редких металлов"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск - 1996

Работа выполнена в Челябинском государственном техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук профессор

РОДИН В.Е.

Официальные оппоненты - доктор технических наук црофессор

ГУРЕВИЧ Е.Г.

кандидат технических наук ШВВД Ф.И.

Ведущее предприятие - АО "Златоустовский металлургический

завод"

; Защита состоится " о^/гж^оя-1996 года в ^ часов на заседании диссертационного совета Д 053.13.04 по присуждению ученых степеней при Челябинском государственном техническом университете.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного техническго университета.

Ваш отзыв, скрепленный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 454084, г. Челябинск, пр.им. В.И. Ленина, 76, ЧГТУ, ученый совет, т. 39-91-23.

Автореферат разослан " ^" с^г/г^Ш. 1ээб г.

Ученый секретарь диссертационного совета докт.фаз.нмат. наук, проф.

Ыирзаев Д.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность темы. Электрошлаковая технология нашла широкое применение не только для выплавки слитков, подлежащих дальнейшему металлургическому переделу, но и для получения отливок, близких по своей форме и размерам к готовым изделиям. Не случайно более 5ОХ электрошлаковых установок сосредаточено на машиностроительных предприятиях. Более чем за 40 лет существования ЭШП проведенно большое количество исследований по совершенствовании технологии процесса и создании оборудования, позволяющего улучшить технико-экономические параметры переплава.

Перспективы развития электрошлаковой технологии предполагают активное управление процессом электрошлакового переплава в направлении повышения тепловой эффективности и улучшения качества получаемого металла.

Качество электроалакового слитка обусловленно в значительной степени соответствием скорости поступления гадкого металла с оплавляемого электрода скорости его кристаллизации в аидкой металлической ванне.

Однако эф^ктанных способов, позволяющих повысить скорость кристаллизации электрошлакового слитка, практически нет. Данное обстоятельство приводит к тому, что для обеспечения плотной структуры слитка приходится искусственно сдерживать скорость плавления. Имеющиеся в литературе данные об электрошлаковой плавке с вращением расходуемого электрода, когда без увеличения величины тока и напряжения удается заметно поеысить производительность и снизить расход электроэнергии, недостаточны. В тою время, это направление представляет интерес с точки зрения дальнейшего совершенствования и поиска новых областей его применения.

Цель работы. Изучение возможности управления процессами плавления, транспортировки и кристаллизации металла при ЭШП за счет изменения скорости вращения расходуемого электрода.

Для этого необходимо решить следующие вопросы.

1. Разработать гидродинамическую и кинетическую модели переплава расходуемых электродов в поле действия центробежных сил.

2. Исследовать движение электродного металла в шлаковой фазе при различных условиях переплава.

3. На основании полученных зависимостей разработать технологию для получения отливок переменного сечения.

- з -

Научная новизна. В диссертации впервые:

- получаны аналитические выражения, позволяющие рассчитывать оптимальную скорость вращения расходуемого электрода в зависимости от реальных условий алектрошлаковой плавки;

- установлена зависимость между местом доставки капель электродного металла в жидкую металлическую ванну и скоростью вращения заготовки;

- разработан механизм управления скоростью плавления расходуемых электродов изменением скорости их вращения.

Практическая ценность работы.

1. Разработана технология получения отливок переменного сечения методом ЭШ с вращением расходуемого электрода вокруг своей оси ( Патент России * 2048553).

2. Предложен эффективный способ управления скоростью плавления электрода при электрошлаковой плавке, не требующий изменения подаваемых на электрод электрических параметров;

3. Разработана автоматическая схема поддержания постоянной скорости плавления расходуемого электрода.

На защиту выносятся;

1. Результаты аналитического исследования и экспериментального изучения кинетики течения и места доставки электродного металла в поле действия центробежных сил.

2. Технология получения отливок переменного сечения методом ЭШ с вращением расходуемого электрода.

3. Механизм управления скоростью плавления расходуемых . . электродов изменением скорости их вращения.

Апробация работы. Основные результаты работ доложены и обсуждены на: 1. Всесоюзном совещании "Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии", Новокузнецк, 1991 г.; 2. IX Международной научной конференции "Современные цроблеммы специальной электрометаллургии", Челябинск, 1995 г. 3. Международной научно-практической конференции "Ноше ресурсосберегающие технологии и материалы,Челябинск, 1996 г.

Публикации результатов работы. По материалам диссертации опубликовано 6 статей и 3 тезиса докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографического списка (115 источников) и приложения. Она изложена на 123 страницах машинопис-•. ного текста, вклвчапцих 15 таблиц, 26 иллюстраций.

- А —

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении раскрывается актуальность проблемы дальнейшего совершенствования технологий получения отливок переменного сечения методом ЭШП. Показано, что разработка и ачедрение новых технологий должны базироваться на активном управлении процессом ЭШП в направлении повышения тепловой эффективности и улучшения качества получаемого металла.

Сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту.

I. ПРОЦЕССЫ ПЛАВЛЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ МЕТАЛЛА ПРИ ЭШП

Анализ литературных данных показывает, что плавление расходуемого электрода связано с количеством тепловой мощности, выделяемой в шлаковой ванне. Увеличение мощности обеспечивает и более высокую производительность электрошлакового процесса. Однако многочисленными исследованиями установлено, что повышение производительности установок при обычной схеме электрошлакового переплава ограничено условиями рафинирования переплавляемого металла и его кристаллизацией. Отмеченное обстоятельство обусловило появление ряда разработок, связанных с внешним воздействием на шлаковую и металлическую ванны при электрошлаковой штЕке или на переплавляемый электрод, а также создание новых схем переплава. Среди них есть одно, которое позволяет делать это наиболее эффективно и комплексно т.е. елиять на производительность процесса и рафинирование металла, а также управлять кристаллической структурой формируемого слитка или отливки - это электрошлаковая плавка вращаемого вокруг собственной оси расходуемого электрода. Возникающие при этом центробежные силы обеспечивают радиальное течение жидкого металла с оплавляемой части расходуемого электрода, вследствии чего капли электродного металла доставляются на периферию слитка. При радиальном течении электродного металла по плоскому торцу обеспечиваются более благоприятные условия рафинирования.

В литературе отмечается, что для конкретных условий переплава существуют оптимальные скорости вращения расходуемого электрода, когда эти процессы протекают наилучшим образом. Следовательно, умение прогнозировать выбор скорости вращения заготовки для создания оптимальных условий переплава представляются весьма актуальными. Прогнозирование места доставки электродного

металла в шлаковую и металлическую вакны позволили бы расширить диапазон применения данной технологии, в часности, для получения слитков или отливок переменного сечения.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ТЕЧЕНИЯ И МЕСТА ДОСТАВКИ ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА В ПОЛЕ ДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ

При электрошлаковом переплаве без вращения электродов малого и среднего сечения оплавляемый торец электрода имеет форму конуса. В рабочем режиме электрод равномерно оплавляется по поверхности конуса, сохраняя его форму и размеры. Это означает, что тепловой поток равномерно распределен по поверхности конической части, и в каждый момент времени расплавляется слой металла определенной толщины. Вследствии стекания металла вниз толщина жидкого слоя увеличивается в направлении к вершине конуса.

Стремление получить минимальную по толщине и равномерно распределенную по оплавляемой поверхности электрода жидкую металлическую пленку продиктовано тем, что основное рафинирование металла происходит именно в этом слое, и чем меньше толщина слоя, тем эффективнее процесс очистки. Следовательно, условия рафинирования наименее благоприятны вблизи оси электрода. Поступление электродного металла с вершины его конической части в жидкую металлическую ванну приводит к увеличению глубины ее центральной части, что, в свою очередь, способствует нарушению структурной однородности слитка. В связи с этим создание при ЭШП таких условий, при которых толщина слоя жидкого металла на электроде была бы минимальной, а металлическая ванна, фронт кристаллизации и торец электрода в процессе переплава оставались плоскими, позволило бы повысить эффективность рафинирования металла. Такие условия можно обеспечить при радиальном течении жидкого металла по плоской оплавляемой поверхности, что достигается вращением переплавляемого электрода.

В силу указанных обстоятельств при реализации ЭШП с вращением возникает задача оценить минимальную скорость ш вращения электрода, при которой могут реализоваться указанные выше условия. Для решения поставленной задачи нами предпринята попытка построения гидродинамической модели переплава расходуемого электрода в поле действия центробежных сил.

Допустим, что весь объем конической части электрода погруженной в шлак - жидкий, и в произвольный момент времени высота

_ с _

конуса равна h, а длина его образующей равна I, радиус г цилиндрической части остается постоянным. Тогда с уменьшением величины h изменение кинетической энергии вращения конической части запишется в виде:

(JE = тс/20 ГШ2«г4.Ар dП), (1)

где, р = ро- рщ, кг/м3; р0 - плотность жидкого металла, кг/м3; рш - плотность шлака, кг/м3; ш - угловая скорость вращения электрода, рад с-1. Одновременно из-за уменьшения поверхности конуса будет изменяться и поверхностная энергия конической части электрода Етюв = к %т>адЬ di. Предположим, что изменение поверхностной энергии panno изменения кинетической энергии.

(TC/20J ш2»г4'Ар cüi — к 1СТ>ояЬ di, (2)

где osb - удельная поверхностная энергия границы раздела металл (электрод)-шлак, Да«м-2. В интегральной фор*е запишется в виде:

(1/20) t/.r3.Ap.fno- h) в 0аЬ'(1о-1>, (3)

где hQ, íq - соответственно, высота конической части и длина образулцей при ш = О.

Если величина ш такова, что торец расходуемого электрода при вращении становится плоским, то h = О и 1 = г. Тогда, с

_ - 7/2

учетом, что lQ = (hr + г ) из соотношения (3) получим:

20 a J(hz + rJ

rf = ---- . (4)

г «Ap>fto

Оценим величину hQ из равенства силы поверхностного натяге-. ния, действующей на контур круга радиуса г, и веса слоя жидкого металла на поверхности конуса при ш = О. Имеем:

(1/3)'K>rzho<g Ар = 2кт-авЬ , (5)

где g - ускорение свободного падения, м/с2. Выражая hQ из соотношения (5), имеем:

6 ° ь

h =-(6)

Ap.g.r

а подставляя его в (4), получим

. 10 g [((ЗбсР./Кр2^2)+гг)иг -г]

of = -s»-- . (7)

Зг3

При вращении электрода со скоростью п оборотов в еденицу времени

п = (В)

Значение ш, определяемое соотношением (7), - это минимальное значение скорости, так как мы не учитывали работу сил сопротивления среды движению капель жидкого металла, сходящих с вра-

- т —

щащегося электрода.

Из анализа выражения (7) для ш следует, что для достижения указанных выше условий при увеличении радиуса электрода скорость его вращения можно уменьшить и наоборот. Величина ш существенно зависит также от Др = р0 -рщ. Если плотность р0 стали различных марок в большинстве случаев различаются незначительно, то плотность шлаков р„ может отличаться на 50 и более процентов. Следовательно, при определении величины ш значительную роль играет состав шлака.

Оценим величины ш и п по соотношениям (7),(8), приняв, что Др м 2500 кг/м3, адЪ « 1,8 Дж-м"2, г = 0,04 м. Для выбранных параметров получим ш « 5,5 рад«с~! п « 0,9 с~'«54 мин-'.

Таким образом, при реализации ЭШП с вращением электрода можно целенаправленно подбирать с достаточно большой точностью скорость его вращения в зависимости от радиуса электрода, марки стали и состава шлака.

В условиях электрошлакового переплава с вращением расходуемого электрода большое значение имеет время переходного периода, в течение которого происходит трансформация конической формы торца оплавляемого электрода в плоскую. Если для этого требуется достаточно большой промежуток времени, то необходимо предусматривать либо конструктивные изменения в кристаллизаторе, либо технологические. Для определения времени перехода от конической формы торца до плоской целесообразно построить кинетическую модель этого процесса. Для чего рассмотрим силы, действующие на элементарный объем жидкого металла массой Ат на поверхности конической части электрода.

Как уже отмечалось, форма оплавляемого торца расходуемого электрода малого и среднего сечения близка к конической. Если радиус основания конуса г при угловой скорости вращения ш электрода, равной нулю, равен радиусу Я электрода, то при ш И О и с ее увеличением гк уменьшается и при некоторой шк может стать равным нулю, т.е. оплавляемый торец электрода станет плоским. Возникает задача аналитически оценить зависимость гк от ы и времени вращения т при заданных и постоянных во времени других параметрах процесса. Схема действия сил и геометрии торца электрода, используемая для расчета и оценки зависимости гк от ш и т, приведена на рис.1.

конуса от угловой скорости вращения электрода и времени вращения

Силы, действующие на элементарный объем металла массой Ьт. Рт.о = Рт» coa а; Fe.с = Fcaín а; Fa. = ¿ngpQ. (9)

Здесь g - ускорение свободного падения, м/с2, р0 = ри/рс, где рщ и р0 - плотности шлака и стали, кг/м3.

Из схемы, приведенной на рисунке, следует, что

Fe ш с = lm¿Fx(i)'alnar (10)

где x(i) - расстояние от оси электрода до центра выделенного объема, м.

Уравнение движения для тела Дш вдоль направления 1 имеет вид

Ьт.-—— = Ш (irx(i)aln а - Amg(1-p )соа а. (11)

йтг

Решением уравнения (11) при начальных условиях 1(х) = 1о и dl(i)/dт = О при 1=0, будет

1(1) = [сго/2; -(sd-po)coaa)/2^ainza j.feT "atna +

+ е^ UBÍn а) + (g(1-po)coa а)/ и?з1пга. (12)

Если масса металла, ушедшая с поверхности конической части, равна массе расплавленного за время с2т (ümí=dm2) металла, имеем

2%po'l(l - Io)almi'C08a dr = (rp.z/qRQ)üт, (13)

где т]< 1 - коэффициент, учитывающий долю теплоты, израсходованной на плавление; g - удельная теплота плавления, Дх/кг; R- олектричаское сопротивление шлака. Ом; и - напряжение в цепи

"электрод- шлак", В. Отсвдв

т

тги.2 Г di

гщДерс в1па'Соаа 0 1(1-1а)

Введем обозначения к,Ъ,с и учитывая (12) соотношение (14) перепишется в виде

т

4к Г йх

г = --—-г-- . (15)

(1а-с)г л0 (е +2с/(1а~с))(е -2)

Приняв гк= йв- г, (р < Д0) и интегрируя (75,), получаем

г =R

Л

tju2oí3aín2a

?mf?P0Rg(1-po)z саэ3а

(По е-*)

-!-+с(1-е w)

(с, + 1)

(16)

2а 2g*(1-p¡n/pc) соэа

где с, ----г—=- . (17)

I - с [lo ursin а. - g(1-pa/pa) coaal

Оценим с, при ро = 0,5, а = 60е, ш = 2х рад/о, тогда

с; * (9,3...О,6J.

Пренебрегая значениями экспонента и логарифма, из (Í6; получим

öiczrru2ain2a п3 гк= Я--

S9Pr. RJ1-P„) ссза2а 14т?пг1„ aínza-g(1-p^)ooaaJ

С О О о о

Пусть г - положение неустойчивого равновесия тела массой Am. При Zfe< I металл станет стекать вниз, а при Ifc > I он движется . вверх. Тогда из условия Fe.с > Рт.с оценим величину I . Имаем:

Am и?х(х) alna. > Amg(1-po> coa а (19)

или

ш2! ain2а > 8(1 ~Р0) соз а. ' (20)

Если диаметр электрода обозначить через D, то относительно

D и I можно записать условие схода металла с электрода: D

- > I или D > I /Г. (2J.)

2aina ° °

О учетом соотношений (20.), (2í; заменяя ш числом оборотов

электрода в единицу времени п, имеем

J / 2g(1-pJcoaa

п >- / —-^- с"'. (22)

2iс D alna

Если т < 1 с, то, пренебрегая в (16) значением логарифма, получим кинетическое соотношение вида

В ic^TTtArWa п3(1-е~(гппа1па)т)

Рк= д--ф(23)

др0 RB (1~ро) ooaza [4r?nzl0 aln2a-g( 1-pQJcoaaJ

Таким образом, используя неравенство (22), могно по заданным величинам D, рш, ро, а оценить число оборотов п электрода, при котором имеет место течение металла по поверхности конической части вверх к основании конуса. Радиус основания конуса rR при этом уменьшается.

Соотношение (18) при условиях, указанных выше, определяет зависимость rR от п и входящих в него параметров.

Из соотношения (23) могно определить зависимость rR от т (для случая z < 1 с) при n = const или зависимость г^ от п при t=const. Запишем, например, соотношение (23) для D = 300 мм, т) = 0,5, а = 267 кДя/кг, П = 32 В, a = 60*, р = 7004 кг/м3,

•S с

рп = 3400 кг/м . Имеем

1,2'Ю-3 п3 _ _

г - 0,15--=- (1-е~5'а3пг). (24)

к RJn - 0,51

а

Согласно неравенству (22) для электродов D = 300 мм п > 2/3 с"! Пусть п = 1 с™'. Тогда из соотношения следует

2,4'10-3(1-е~!5-а3т)

г =0,15--. (25)

R0

Если Rq = 3» КГ3 Ом, то получаем

= 0,15 - 0,8>(1~e's-'t3T). (26)

1С

Соотношение (26) является кинетическим соотношением, определяющим при заданных выше конкретных значениях параметров изменение величины радиуса конической части электрода во времени.

Помимо перечисленных еыдю особенностей при ЭШП с вращением расходуемого электрода возникает необходимость для конкретных условий переплава оценить место доставки электродного металла в жидкую металлическую ванну. Известно, что обеспечение пологой формы металлической ванны в кристаллизаторе на протяжении всего переплава позволяет получить хорошую кристаллическую структуру наплавляемого слитка. Так, например, при получении отливок и заготовок переменного сечения целесообразно изменять место доставки электродного металла в жидкую металлическую ванну при переходе зоны плавки из одного сечения кристаллизатора в другое.

— п —

В силу указанных обстоятельств представляется актуальным уметь прогнозировать место доставки электродного металла, выбирая ту или иную скорость вращения при известных коэффициентах заполнения кристаллизатора и технологических параметрах процесса, обеспечивая при этом также хорошие условия рафинирования.

Для решения поставленной задачи начало системы координат ХУ2 выберем в центре торца электрода. Будем рассматривать движение капли по осям Х,У (движение по оси ог не рассматривается). Примем, что сила сопротивления движению пропорциональна скорости движения капли; капля отрывается в момент времени т = О, когда радиус-вектор, проведенный из центра торца электрода к точке отрыва, направлен вдоль оси ОХ; vx = О при т = О.

Запишем уравнения движения

й*х йхг

О

бТСГ^Т)

йх йх

(27)

п

= О

с£х

а г Ф ч

йт йт;

йх

(28)

где пг - масса капли; г - радиус капли; т) - вязкость шлака, а = &пгк-ц/т.

Начальные условия запишутся в виде:

при т = О; х(О) = Я ; у(О) = 0;

йг

й%

О ,

где й,

т=о

йт

= и =

(29)

х=о

в радиус электрода; п - число оборотов в единицу времени. Интегрируя (28), найдем

Г х = С,т + С йу ' 2

- » и

йт »

V - ау

(30)

О учетом условия (29) О. =0, 0_ =й , С, =и, тогда х = Я .

7 ¿с Э о о

Повторное интегрирование (30; дает: - 1п[и—ау| = % + Са; 1п|и-ау|

- ат - С..

4

При т = О, у = О имеем, что 1пи = - 0 . Отсюда: ---1 = - ах, --- = е

í -

V

°У

и

= е

У =

ОУ

V

С1 - 5~ат),

-1-е'

Из (30) следует, что если иу = О,то Уиах

(32)

Подставляя о и а в (32), получаем

Уыпх = -Щ-^Г ■ (33;

При переплаве заготовок малого и среднего сечения гк»»0,005м. Тогда п ~ (4/3)ъг^'ро « 0,004 кг. Отсюда К1 *> т/гк ~ 0,73. Коэффициент, учитывающий радиальное течение и электромагнитные силы, примем К2 * 0,25. Тогда, например, при переплаве электрода I> = 70 км (И0 = 0,035 и) под флюсом А®-6, Т) = 0,18 П'С при скорости вращения электрода 60 мин-' (1 с~1) о = 2т = 6,28 с"' получаем уыа1 = 0,3 м.

Следует отметать, что результаты получены при достаточно общих допущениях: скорость плавления не лимитирует процесс удаления металла с электрода; угол наклона постоянен; выражение (33) справедливо для тех случаев, когда высота конической части больше или равна нулю; при расчете движения капли в шлаке не рассматривается движение по оси ог.

3. ЭКСГЕРШЕШХШШ! ПРОВЕРКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПЕРЕПЛАВА В ПОЛЕ ДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ В ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДЕ

С целью проверки полученых аналитических вырагэний, позволяющих расчетным путем определить оптимальные скорости вращения электродов различных диаметров, в лабораторных условиях проведено исследование на прозрачной модели. Модель установки выполнена с учетом геометрических зависимостей теории подобия. Собственно среды, имитирующие шлак и металл, выбирали с учетом равенства критериев Грасгофа и соблюдая соотношения ра/рс, удовлетворяющее условию равенства критерия Архимеда. Из этих соображений в качестве металла был выбран сплав Вуда с температурой плавления 68°С и плотностью 9,68 г/см3. В качестве раствора, имитирующего шлаковую ванну, использовали раствор глицерина с темперартурой плавления 17,9°С и плотностью 1,26 г/см3.

Экспериментальная часть работы предполагала: .- наблюдение поведения оплавляемой части расходуемого электрода при различных скоростях вращения электрода;

- наблвдение места доставки электродного металла в зависимости от скорости вращения и коэффициента заполнения кристаллизатора;

- исследование зависимости между скоростью вращения электрода и размером образующихся капель электродного металла;

- определение зависимости мевду скоростью вращения электрода и

числом капель электродного металла, сходящих с оплавляемого торца за еденицу времени.

Исследование, проведенное на холодной модели, показало, что без вращения оплавляемый торец сохранял характерную для электродов при ЭШП конусную форму с углом при вершине 100-120°. Увеличение скорости вращения электрода приводит к постепенному увеличению угла при вершине и уменьшению высоты оставшегося конуса, далее к образованию плоской формы, и, наконец, к формированиях) торца вогнутой формы. Во всех случаях момент появления плоского торца совподает с расчетными параметрами.

Полученные в ходе модельных экспериментов данные по изменению радиуса капли показали, что с увеличением скорости вращения электрода радиус капли сначала уменьшается, а затем возрастает. Минимальный размер капли имеет место при отрыве капель с плоского торца электрода. Этому моменту соответствует и максимальная частота отрыва капель, что подтверждает наличие оптимальной скорости плавления и производительности процесса.

Максимальный радиус капель наблюдается при образовании вогнутости в оплавляемой поверхности, что соответствует минимальной частоте их отрыва. Данное обстоятельство объясняет и значи-: тельное ухудшение рафинирования металла при перехода плавления в область скоростей вращения, да щит обратную конусность.

Анализ данных о месте доставки электродного металла показал хорошую сходимость расчетных предположений с фактическими результатами, полученными при эксперименте в области рабочих скоростей вращения, т.е. когда реализуется радиальное течение электродного металла.

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ПЕРЕЗЛЕННОГО СЕЧЕНИЯ МЕТОДОМ ЭШП О ВРАЩЕНИЕМ РАСХОДУЕМОГО ЭЛЕКТРОДА

Существующие методы получения отливок переменного сечения методом ЭШ в большинстве случаев не позволяют получать качественный слиток из электрода постоянного сечения вследствии различия коэффициентов заполнения кристаллизатора. Поскольку при производстве отливок переменного сечения количество рабочего флюса выбирается исходя из большего диаметра кристаллизатора, требуется специальное отверстие в 1фисталлизаторе для слива избытков шлака при переходе к меньшему сечению. При этом не обеспечивается постоянство фронта кристаллизации, и, как следствие,

— 1/1 —

имеет место неоднородность кристаллической структуры. Использование способа получения отливок из электродов переменного сечения существенно увеличивает их стоимость и также в большинстве случаев не обеспечивает требуемого качества.

Более перспективной является технология получения отливок переменного сечения с вращением расходуемого электрода, когда скорость вращения варьируется в зависимости от коэффициента заполнения кристаллизатора.

Рассмотрим некоторые особенности данной технологии на примере получения валка холодной прокатки. Как правило, диаметр прокатного валка и шейки отличаются в два и более раза. Вследствие этого в большем сечении кристаллизатора необходимо плавить металл при малой высоте шлаковой Банны, а электродный металл (капли) доставлять ближе к стенкам кристаллизатора. Достигнуть этого можно, вращая расходуемую заготовку с соответствующей скоростью, при которой центробежные силы, действующие в пленке жидкого металла на оплавляемом торце, способны обеспечить радиальное течение электродного метлла и необходимую траекторию. При этом возникает восходящий шлаковый поток к оплавляемому торцу, в максимальная температура шлака достигается в подэлектродной зоне. В силу этого обстоятельства более рационально используется тепло шлаковой ванны. В результате преобладания центробежных сил над гравитационными сход электродного металла осуществляется в радиальном направлении, что определяет отсутствие традиционного конуса оплавления и делает возможным ведение плавки при меньшей высоте шлаковой ванны.

Опытная технология получения отливок переменного сечения на примере прокатного валка выглядит следующим образом (рис.2):

- переплав расходуемого электрода в нижней части кристаллизатора (область нижней шейки) ведется в стационарном режиме (без вращения) или с малой скоростью вращения;

- при переходе процесса в зону большего диаметра кристаллизатора следует увеличить скорость Еращения расходуемого электрода до величины, обеспечивающей при радиальном течении электродного металла доставку его ближе к стенкам кристаллизатора;

- при переходе процесса из зоны бочки в зону наплавления верхней шейки прокатного валка скорость вращения снижают (возможно до нуля).

.-У,

"и

№

ЯР

ад

РЗ

п

1273

№

Ш

Р53

Рис.2. Предлагаемая технологическая схема получения цельнолитого прокатного валка методом ЭШП с вращением: 1-электрод; 2-кристаллизатор; 3-подцон; 4-шлаковая ванна, 5-слиток.

Качество металла электрошлаковой плавки в значительной степени определяется структурной и химической неоднородностью слитка, которые, в свою очередь, определяются во многом стабильностью теплового режима. Для этого при ЭШП стремятся поддерживать скорость плавления постоянной, а также поддерживать постоянство линейной и массовой скорости кристаллизации. С этой целью мощность, подводимую на шлаковую ванну, задают постоянной. На практике это осуществляется переключением ступенй напряжения трансформатора. В работе предлагается способ регулирования постоянства скорости плавления вращением расходуемого электрода, так как изменение скорости вращения расходуемого электрода при неизменных электрических параметрах вызывает значительное (до 20%) изменение скорости переплава.

Анализ изменения электрических характеристик по ходу плавки позволил предложить технологию, согласно которой расходуемый электрод в начальный момент переплава вращают с линейной скоростью, обеспечивающей максимальную производительность процесса при заданных электрических и шлаковых режимах, а в процессе переплава скорость вращения равномерно снижают пропорционально падению сопротивления на электроде и шлаковой Еанне.

Для реализации этой технологии следует иметь исходные данные по скорости вращения, обеспечивающей максимальную производительность при хороших условиях рафинирования в зависимости от сечения электрода, химического состава переплавляемого металла и применяемого рабочего флюса, а также от величины электрических

параметров. Для этого можно использовать выражения, полученные в разделе 2.

Для подбора скорости вращения, позволяпцей компенсировать изменение сопротивления на электроде и шлаковой ванне, разработан специальный автоматический регулятор.

При реализации технологии получения отливок переменного сечения представляется возможным использовать такой автоматический регулятор. Поскольку слитки имеют достаточно большую высоту, то это значительно сказывается на изменении электрических параметров по ходу плавки. Выбор скорости вращения при переходе в новое сечение кристаллизатора (когда имеет место резкое изменение коэффициента заполнения 1фисталлизатора) производится вручную, а далее плавку можно переводить в автоматический режим регулирования скорости вращения.

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭШП С ВРАЩЕНИЕМ ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

Исследование проводилось на установке А-550, оснащенной механизмом вращения и автоматическим регулятором, в кристаллизатор переменного сечения с размерами шейки валка 100 мм, бочки 200 мм. Для переплава использовали сталь 20X13. Переплав осуществляли под флюсом АНФ-б. Выплавку слитков проводили по двум вариантам: первый - переплав без вращения (обычная технология); второй - переплав с вращением электрода и с изменением скорости вращения расходуемого электрода при перехода в новое сэченке кристаллизатора. Выбор начальной скорости вращения электрода производили по методике, изложеной в разделе 2. Оценка w, п и ума1 позволила рекомендовать скорость вращения nt = 70 об/мин, а для большого сечения пг = 120 об/мин. О учетом кинетического соотншения изменение скорости вращения производили сразу при переходе в новое сечение кристаллизатора.

Исследование полученных отливок (рис.3) показало, что слиток, получений с вращением, имеет более правельную геометрию. В случае переплава с вращением слиток отличает большая однородность кристаллической структуры, кристаллы центральной части имееют более ярко выраженную вертикальную ориентацию. Угол наклона кристаллов как в центральной зоне, так и в периферийных областях на участках большего сечения примерно одинаков и соответствует ■*75+85°.

(а) (б)

Рис.3. Макроструктуры продольных тешютов из заготовок переменного сечения стали 2(ШЗ(а-без вращения; б-с вращением)

Исследования показали, что уровень микронапряхений по сечению слитка выравнивается в случае применения опытной технологии. Подтверждением большей однородности является и изменение плотности стали, при некотором ее уменьшении имеет место заметное выравнивание ее от периферии к центру.

Оценка неметаллических включений показала, что в большинстве плавок стали 2(ШЗ с вращением электрода по сравнению с металлом, выплавленым по принятой технологии, происходят уменьшение концентрации неметаллических включений с Э,8'103мк/мм3 до 4,8-Ю3 мк/мм3, т.е. на 50%, увеличение количества чистых полей от 54,32 до 64,28, а также снижение относительной плонтости, занятой неметллическими включеними, с 4,1<10~гЖ до 3,3'10~гЖ.

Повышение рафинирувдей способности стало возможным за счет выравнивания толщины планки жидкого металла, по плоскому оплавляемому торцу и уменьшения ее толщины. Созданио условий для образования капель электродного металла меньших по размеру, чем при обычной технологии, также позитивно сказывается на удалении неметаллических включений. Кроме того, наличие неглубокой металлической ванны, которая имеет место при радиальном течении элек-тородного металла, способствует всплыванию включений на границу "шлак- металл".

ОБЩИЕ ВЫВОДИ

1. Разработана гидродинамическая модель переплава электрода при ЭШП в поле действия центробежных сил, позволяющая для конкретных условий переплава рассчитать скорость вращения, которая обеспечивает радиальное течение электродного металла.

2. Получено кинетическое соотношение, позволяющее в любой момент времени определить радиус конической части электрода (остаточной конусности). О использованием кинетического соотношения дана оценка скорости вращения электрода при заданных параметрах процесса, при которых оплавляемый торец расходуемого электрода становится плоским.

3. Рассмотрено движение капли металла в плаке при наложении на переплавляемый электрод центробежных сил. Получено соотнозе-ние, которое позволяет определить положение капли в горизонтальной плоскости, а также выражение, позволяющее рассчитать место доставки электродного металла в ванну кристаллизатора.

4. На основании полученных зависимостей составление программа расчета на персональном когшьютере, позволяющая при введении конкретных данных для электрсшткового переплава получить оптималные режимы скоростей вращения электродов с учетом всех выше рассмотренных особенностей.

5. Разработана методика фззичеспого модолщзоваппя процесса плавления электрода в поле действия центробежных сил и с ее применением исследованы гидродинамика, каплеобразование, движение капель в шлаковой ванне при электрошлаковой плавке. Проверена сходимость расчетных данных математических моделей с данными эксперимента.

6. Разработана технология получения отливок переменного сечения из электрода постоянного сечения, не требующая изменения количества рабочего флюса в цроцессе переплава и позволяющая вести плавку при меньшем на 10-15% количестве флюса, необходимого на плавку, а такса повысить без увеличения подводимой мощности скорость переплава на 20-25% при использовании традиционных флюсов.

7. Предложен способ управления скоростью плавления расходуемого электрода изменением скорости вращения в зависимости от изменения сопротивления на электроде и в шлаке. Разработан автоматический регулятор задания необходимой скорости.

8. Проведены опытные планки по предлагаемой технологии получения отливок переменной формы, исследовано качество металла и сопоставлено с результатами обычных плавкок.

9. Результаты работы расширяют представление о сущности ЭШП с вращением заготовки. Они могут быть использованы для получения фасонных отливок высокого качества с минимальными затратами, на сечах: любого типа без существенного изменения действующих электрошлаковых установок.

Основное содержать диссертации изложено в следующих публикациях:

I. Чуманов В.И., Белозоров Б.П., Чуманов И.В. Математическая модель переплава вращающегося электрода //Тезисы докладов Всесоюз-• кого совещания "Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии, Новокузнецк, 1991,с.138-139. . 2. Чуманов В.И.« Ба лазеров Б .П., Чуманов И.В. Математическая модель переплава вращающегося электрода //Известия вузов. Черная металлургия, 1991, Й12, с. 74-75.

3. Чуманов В.И., Белозеров Б.П., Чуманов И.В. Кинетическая модель переплава вращающегося электрода //Известия вузов. Черная металлургия, 1994, *8, с. 57-60.

4. Чуманов В.И., Чуманов И.В. Влияние условий переферийного ка. пельного переноса при ЭШП на структуру и свойства стали // Со' вершенствование маш. материалов, конструкций машин в методов обработки деталей: Об. научн. тр. -Челябинск: ЧГТУ, 1995, с. 3-11.

: 5. Чуманов И.В, Рощин В.Е. Влияние технологических параметров • ЭШ на скорость переплава расходуемых электродов //Тезисы докладов IX Международной научной конференция "Современные проблеыыы специальной электрометаллургии", Челябинск, 1995, с. 67-68.

6. Чуманов И.В., Чуманов В.И. Расчет движения капли электродного металла в шлаке //Известия вузов. Черная металлургия, 1995, $12, с. 22-23.

7. Чуманов В.И., Рощин В.Е., Чуманов И.В. Электрошлаковая технология получения отливок переменного сечения //Тезисы докладов Международной научно-практической конференции "Ноше ресурсосберегающие технологии и материалы", Челябинск, 1996, с. 32.

8. Чуманов В.И., Белозеров Б.П., Чуманов И.В. Патент России Я 2048553 "Способ получения слитка переменного сечения алектро-шлаковым переплавом".

УОП Издательства. 454(380, г.Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

Тираж, 100 вкл.