автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии выплавки чугунов и сталей в индукционных сталеплавильных печах

\

На правах рукописи

Шипельников Алексей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНОВ И СТАЛЕЙ В ИНДУКЦИОННЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Липецк-2010

003494228

Работа выполнена на кафедре «Металлургия» ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Дубровский Сергей Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Паршин Валерий Михайлович кандидат технических наук Коротаев Александр Сергеевич

Ведущая организация - ОАО JIM3 «Свободный сокол»

Защита состоится «11» мая 2010 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д212.08.02 в Липецком государственном техническом университете по адресу: 398600, г. Липецк, ул. Московская, 30, зал ученого совета.

E-mail: dsa@stu.lipetsk.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Липецкого государственного технического университета.

Автореферат разослан — 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ведищев В.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. На сегодняшний день рынок металлопродукции предъявляет ряд жестких требований, как к служебным свойствам черных сплавов, так и к себестоимости их получения. Огромную долю рынка занимают детали механизмов и изделия из конструкционных чугунов и углеродистых качественных сталей.

В настоящее время на территории РФ и стран ближнего зарубежья происходит накопление легковесного стального и чугунного лома, который затруднительно перерабатывать на высококачественные сплавы с использованием классических металлургических схем. Выход из сложившейся ситуации возможен в создании ряда предприятий с неполным металлургическим циклом. Главными плавильными агрегатами «мини-заводов» могут быть индукционные сталеплавильные печи, которые способны работать полностью на твердой металлошихте.

Одной из главных проблем технологий выплавки высококачественных сплавов в индукционных печах являются конструктивные ограничения возможности проведения активных металлургических операций, что в ряде случаев усугубляется наследственным влиянием качества шихтовых материалов, которое до настоящего времени не регламентируется технологическими инструкциями.

Основным направлением развития современной металлургии является исследование и разработка технологий получения сплавов повышенного качества, за счет применения новых и совершенствования имеющихся методов выплавки, внепечной обработки и оценки качества шихтовых материалов.

Все вышесказанное предопределяет актуальность работы, которая направлена на разработку эффективных технологий индукционной выплавки сплавов и выполнена в рамках разрабатываемого в ЛГТУ научного направления «Феноменологические модели и нелинейная динамика высокотемпературных процессов и технологий» при частичной поддержке грантом РФФИ 09-08-97578-р_центра_а. Работа удостоена областной премии имени С.Л. Коцаря за достижения в области технических наук.

Целью работы является разработка технологий выплавки конструкционных сплавов в индукционных сталеплавильных печах с проведением эффективных металлургических операций, посредством научно обоснованного определения влияния шихтовых материалов и технологических параметров на качество получаемых сплавов.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

- исследовать особенности выплавки сплавов в индукционных печах;

- разработать улучшенную методику анализа качества кусковых шихтовых материалов;

- исследовать влияние качества шихтовых материалов и температурных режимов выплавки на качество сплавов;

- исследовать поведение элементов при различных температурно-шлаковых режимах выплавки чугунов и углеродистой стали.

Достоверность основных положений и выводов. Достоверность результатов работы подтверждается проведением промышленных плавок, с использованием новейшего оборудования контроля состояния и свойств сплавов, программного обеспечения анализа данных и теоретическим анализом процессов с использованием современных теорий металлургических расплавов.

Научная новизна работы.

1. Экспериментально установлен факт «структурной наследственности» шихтовых материалов заключающийся в увеличении склонности углеродистых расплавов к дендритной сегрегации при использовании в шихте белых доменных чугунов. Увеличение температуры последнего периода миксирования свыше 1550°С усиливает «наследственность» расплавов и одновременно повышает фрактальную размерность поверхности кристаллизующихся дендритов.

2. Предложен принцип организации технологии выплавки сплавов с использованием трех периодов миксирования, заключающийся в температурно-временном разграничении протекания основных окислительных реакций с участием кремния, углерода и марганца, позволяющий наводить

жидкоподвижный шлак для кислых и нейтральных футеровок печей.

3. Исследованы особенности технологии выплавки сплавов в индукционных сталеплавильных печах, заключающиеся в поведении основных и «наследственных» элементов и специфических условиях шлакообразования с использованием твердых шлакообразующих смесей на основе системы оксидов «SiC>2 —А120з — СаО».

4. Разработана методика ускоренного исследования качества кусковых шихтовых материалов, позволяющая определять их полный химический состав и внутренние дефекты, влияющие на качество металлопродукции.

Практическая ценность работы.

1. Разработана и испытана в действующем производстве ООО «Лебедянский машиностроительный завод» (ООО «ЛеМаЗ») технология выплавки углеродистой стали на нейтральной футеровке с периодом окисления элементов,, позволяющая получать качественный металл из стального лома с завышенным содержанием основных элементов.

2. Разработана и испытана в действующем производстве ООО «ЛеМаЗ» технология выплавки высококачественных конструкционных чугунов в индукционных печах с кислой футеровкой, позволяющая снизить газонасыщенность сплавов, уменьшить окисление основных элементов и повысить стойкость футеровки.

3. Разработанная технология выплавки повышает качественные характеристики чугуна «нирезист» после модифицирования: увеличен предел прочности (на 15,6%), снижена твердость (на 8,8%) и уменьшено количество газоусадочных дефектов (на 15,85%).

4. С помощью разработанной методики исследовано предельное содержание вредных микроэлементов цветных металлов в доменных чушковых чугунах (от 0,025 до 0,034%) и стальном углеродистом ломе (от 0,016 до 0,023%).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на 3-х научно-технических конференциях: III (г. Липецк, 2006), IV (г. Липецк, 2007) и V (г. Липецк, 2008) международные научно-технические конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия», а также

университетских совещаниях и семинарах в период с 2006 по 2008 г. (г. Липецк, ЛГТУ).

Публикации. По материалам опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы и структура. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав с выводами, библиографического списка из 125 наименований, заключения и 4 приложений. Включает 87 страниц текста, содержит 28 рисунков и 30 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении приводятся основные аспекты актуальности выбранной темы исследования, определяется цель и вытекающие из нее основные задачи. Показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе дается краткий обзор области применения конструкционных чугунов и углеродистых сталей, способов их выплавки и модифицирования в условиях предприятий с неполным металлургическим циклом. Обозначены параметры качества сплавов, зависящие от правильности и полноты протекания металлургических процессов в условиях индукционной плавки при использовании различных шихтовых материалов. Приведена систематизация современных научных представлений о металлургической наследственности сплавов и её влияния на качество металлопродукции. В конце главы сформулированы цели и задачи исследования.

На предприятиях с неполным металлургическим циклом черные сплавы выплавляются в электропечах, при этом одним из наиболее перспективных плавильных агрегатов, ввиду легкости обслуживания, точности управления температурой, возможности работы в режиме миксирования, но и особо требовательным к качеству шихтовых материалов, является индукционная сталеплавильная печь. Важным технологическим приемом выплавки качественных сплавов в индукционных печах является использование режимов термовременной обработки (ТВО). Проведение эффективных металлургических операций, наряду с внепечным модифицированием расплавов, позволяет существенно улучшить качество сплавов в заготовках.

Показано, что имеются теоретические предпосылки для организации технологии выплавки стали с периодом окисления элементов и возможностью удаления части микроэлементов. В производстве для этих целей используется дорогостоящая основная футеровка, стойкость которой не превышает 5-10 плавок. Результаты современных исследований по использованию нейтральных футеровок для выплавки стали с окислением в периодических изданиях не представлены. Выплавка конструкционных чугунов осуществляется, как правило, на форсированных температурных режимах в печах с кислой футеровкой, с использованием твердых шлакообразующих смесей на основе А1203 и 8102. Стойкость футеровок составляет не более 100 плавок. Понятие «качество сплавов» в современной металлургии определяется не только марочным химическим составом согласно действующей документации, но и концентрацией микроэлементов, растворенных газов и неметаллических включений, влияющих на процесс кристаллизации расплавов.

Согласно литературным данным, качество сплавов зависит не только от совершенства существующих металлургических технологий, но и от явления металлургической наследственности сплавов, которое также оказывает сильное воздействие на процессы кристаллизации, что наиболее характерно для расплавов индукционной плавки. Механизм и физическая сущность наследственности сплавов до сих пор окончательно не раскрыты.

Вторая глава представлена результатами анализа и теоретических исследований металлургической наследственности и физико-химических особенностей технологий выплавки сплавов в индукционных сталеплавильных печах с различной футеровкой.

При содержании углерода более 0,3% и температурах перегрева в пределах от 1550 до 1800°С существует большая вероятность сохранения в расплаве г.ц.к. - подобной структуры ближнего порядка. Согласно квазиполикристаллической теории жидких металлов, элементами г.ц.к. -подобной структуры ближнего порядка расплавов являются устойчивые кластеры химических элементов.

Предложено для идентификации наследственных структур сплавов

использовать фрактально-кластерную модель структур, согласно которой кластерные образования в сплавах обладают свойством масштабного самоподобия, а в ряде масштабов - иерархичностью строения. Основным свойством фрактального кластера является соответствие между размером, размерностью и числом частиц в агрегации, что характерно и для «наследуемых» типов структур в первично кристаллизованных сплавах.

Показано, что наследуемыми свойствами основных шихтовых материалов могут быть особенности строения макроструктуры (спелеобразный графит, дендриты и т.д.) и газонасыщенность доменных чушковых чугунов, а также общее и видовое содержание микроэлементов в шихтовых материалах.

Вскрыто, что главнейшей задачей режимов индукционной плавки является не только гомогенизация расплава по составу и температуре, активизация растворения и взаимодействия компонентов шлака и металла, но и «упорядочивание» его структуры в различных микрообластях ванны, что в основном ограничивается стойкостью используемых футеровок. В противном случае сохраняется высокая вероятность наследования свойств шихтовых материалов получаемыми сплавами. При этом в производственных условиях не всегда возможно организовать такую технологию выплавки, которая бы обеспечивала стабильное получение сплавов с заданными параметрами качества из любых шихтовых материалов. Поэтому первым этапом экспериментальной разработки технологии выплавки должно быть исследование качества наиболее часто используемых шихтовых материалов и выбор рационального состава шихты. Вторым важным этапом является определение влияния температурного режима плавок и типа доменных чугунов на качество выплавляемых сплавов. Вместе с этим исследование и организация эффективных температурно-шлаковых режимов позволит стабилизировать основные окислительно-восстановительные реакции процесса выплавки и рафинировать расплавы от газов и неметаллических включений.

Третья глава посвящена материалам, оборудованию, описанию проведения экспериментальных плавок и методикам исследования качества шихтовых материалов в лабораторных и производственных условиях.

Существующие методики оценки качества шихтовых материалов, используемые при входном контроле на действующих предприятиях, страдают главным недостатком: большая длительность анализа состава материалов,

обусловленная использованием физико-химических методов анализа, при сравнительно небольшом диапазоне исследуемых элементов: С, £/, Мп, Сг, М, 5 и Р. Разработана и апробированная методика ускоренного исследования качества материалов, основные стадии которой представлены в табл. 1.

Сравнение методик исследования качества шихтовых материалов _Таблица 1

№ п/п Основные стадии исследования

Разработанная (длительность: сутки) Существующая (длительность: двое суток)

1 Отбор проб (54-60 кг/72 т). Визуальный контроль Отбор проб (25-36 кг/72 т). Визуальный контроль

2 Вырезка темплетов (3,0-3,5 кг). Визуальный и металлографический контроль Измельчение материала (0,2-0,3 кг)

3 Измельчение темплетов, формирование выборки (0,4-0,5) кг Формирование навески (0,02кг)

4 Переплав в герметизированном тигле Физико-химический анализ (С, 81, Мп, Сг, 8, Р)

5 Заливка и подготовка кокильной пробы -

6 Спектральный анализ до 24 элементов -

Экспресс-анализ химического состава сплавов контролировали на оптико-эмиссионном спектрометре «ARL - 3460», механические свойства определяли на твердомерах марок ТК-2М {ТШ-2М) и на разрывных машинах ГМС20 и М50КТ. Исследование структур осуществляли с помощью оптического микроскопа «Olimpus» GX51 с программным обеспечением «Siams 700», анализ кристаллизации осуществлялся в программном комплексе vLVM Flow».

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований качества используемых шихтовых материалов и температурно-шлаковых режимов плавок чугунов и стали в индукционных сталеплавильных печах.

С помощью разработанной методики исследования качества шихтовых материалов установлено содержание вредных микроэлементов в доменных чушковых чугунах ведущих предприятий-поставщиков центрального

федерального округа (от 0,025 до 0,034%) и стальном углеродистом ломе категории 1А (от 0,016 до 0,023%). Наименьшее содержание микроэлементов обнаружено в марках Л5, ЛР6 и ГШ1 (рис. 1: ОАО «JIM3 Свободный Сокол» -J1M3, ОАО «Косогорский металлургический завод» - КМЗ, АК «Тулачермет» -ТЧМ).

[■П1(ТЧМ) ■ЛР6(ЛМЗ)" ■ ЛбОШЗ) ВЛ5(ЛМЗ) ЫПЛ1 (ИЗ) I

Рис.1. Видовое распределение микроэлементов в чугунах

Эти чугуны можно рекомендовать для выплавки высококачественных чугунов и сталей в индукционных печах, что и определило их дальнейшее использование в экспериментальных плавках. Показано, что для получения в готовой стали концентраций микроэлементов на уровне 0,010-0,012% необходимо, чтобы в шихте, при условии полного удаления РЬ и частичного удаления 77, V, их содержание составляло не более чем 0,020%, что возможно только при комбинировании лома прокатных профилей с ломом металлоконструкций в отношении не более чем 1:2.

Исходя из систематизации научных представлений о механизмах и видах металлургической наследственности, некоторые температурные режимы выплавки при определенном составе шихтовых материалов могут приводить к возникновению неравновесных структур в выплавляемых сплавах, которые снижают их механические свойства. Для детальных исследований склонности расплавов к дендритной сегрегации в зависимости от вида шихтовых материалов были проведены серии экспериментальных плавок. Установлено,

что склонность углеродистых расплавов к кристаллизации по дендритному механизму определяется не только его химическим составом, но зависит и от типа переплавляемых доменных чугунов. По результатам металлографического анализа дендритов предложена модель расчета фрактальной размерности (£>), отличающаяся от классической Мандельброта тем, что трудно рассчитываемая величина N заменяется на величину [(Бде/')/2, достоверно определяемую в комплексе «Бгаш 700»:

О = ЫРдепШ2Мпол), где Ыпол,я[(Бде„к)/2], (1)

где - количество полигонических зерен составляющих оси дендрита, 8йе„ и Рдей. ~ соответственно, площадь (мкм2) и периметр (мкм) включения.

Результаты анализа морфологии представлены в табл. 2.

Количественные характеристики дендритов*

Таблица 2

№ ^ден.) мкм2 Рден.> мкм ^пол. Б (Л), урав. 1 Температура перегрева, С

Конструкционный серый чугун

1 1366 П 189 17 18,50 1,49 1300-1350

2 17937 1652 105 66,96 1,50

3 12217 3582 59 55,30 1,72 1350-1500

4 6540 1896 32 40,40 1,81

6 2648 1385 24 25,70 1,87 1550-1650

7 6160 2430 42 39,20 1,76

Углеродистая сталь

8 25880 5852 125 80,44 1,40 | 1550-1650

* средние значения по 10 измерениям (полям зрения)

Дендритные структуры, кристаллизующиеся при скоростях охлаждения расплавов от 10 до 30°С/с обладают дробной фрактальной размерностью от 1,49 до 1,87, что может служить косвенным доказательством их кластерной природы. Развитая дендритная сегрегация наблюдается в пробах кристаллизованных сплавов полученных из белых доменных чушковых чугунов, которые имеют в своей структуре дендритные кристаллы и не имеют структурно-свободного углерода в форме графита. С повышением температуры выдержки таких расплавов возрастает их склонность к кристаллизации по

дендритному механизму (табл. 2). Сохранение склонности расплавов к определенному типу структурообразования можно назвать «дендритной (структурной) наследственностью» шихтовых материалов.

Таким образом, при использовании в шихте передельных (ледебуритных -белых) доменных чугунов, выгодно отличающихся более низким содержанием 5, температура перегрева и выдержки расплава должна быть достаточной для гомогенизации ванны по химическому составу, но не должна превышать 1550°С, так как кристаллизующиеся при данном перегреве дендриты обладают высоким отношением периметра к площади (большой фрактальной размерностью £> > 1,76). Согласно литературным данным, это может приводить к существенному снижению механических и прочих свойств сплавов.

Вторым важным этапом разработки технологий является исследование составов шлакообразующих смесей и температурных режимов плавок. Для подбора ТШС необходимого состава было произведены плавки на ИСТ-0,16 с кислой футеровкой с использованием различных смесей, по режиму: «нагрев расплава до 1400°С - скачивание первичного шлака - ввод состава на «зеркало» металла - нагрев до температуры 1600°С». Результаты представлены в табл. 3.

Исследование составов ТШС на кислых футеровках

Таблица 3

№ Состав Свойства*

1 55% Si02,40% Al2Oh 5% CaO Удовлетворительная текучесть

2 60%Si02,40%A1203 Шлак «комкуется» до температуры 1600°С

3 50% Si02,35% A1203,15% CaO Удовлетворительная текучесть, сильный прогар футеровки

*визуально

Выбор режимов плавок, в которых бы учитывались «наследственные» и технологические свойства шихты с учетом обзором и проведенных исследований, должен осуществляться исходя из следующих предпосылок:

1) относительно низкая температура миксирования (для чугунов - около 1400 С, для углеродистых сталей - около 1550°С) не обеспечивает необходимую степень удаления газов и неметаллических включений в шлак, но способствует сохранению высокой стойкости футеровок (для кислых - не

менее 100 плавок); при этом расплавы имеют приемлемую склонность к дендритной сегрегации;

2) относительно высокая температура миксирования (для чугунов - около 1550°С, для углеродистых сталей - около 1650°С) повышает жидкоподвижность кислых шлаков, уменьшает вязкость расплавов, но существенно снижает стойкость футеровки (вплоть до аварийного выпуска плавки) и увеличивает их склонность к сегрегации.

Таким образом, необходимо выбирать некоторый «комбинированный» режим - термовременная обработка расплавов. Поэтому в дальнейших исследованиях сравнивались две различные технологии выплавки:

1) действующая - с форсированным режимом нагрева и одним режимом миксирования, с использованием в качестве ТШС сухого кварцевого песка в количестве 6,5-7 кг/т. Энергозатраты составили 560-590 кВтч/т;

2) экспериментальная - с тремя режимами миксирования (ТВО), с использованием в качестве ТШС смеси боя шамотного кирпича и извести в отношении 9,5:0,5 (52% БЮг, 38% Л120з и 5% СаО) в том же количестве. Энергозатраты составили 580-600 кВтч/т.

Температурные режимы плавок указаны на рис. 2.

1Ф00

1375 -I-1-.-,-1-,---,-.-,-.-1-1-.-.-.-.-.-

30 3 5 40 45 50 55 60 85 7D 75 80 85 80 95 100 105 110 115 120

Время плэ мм. мин

Рис. 2. Режимы шавок: 1 - действующий (форсированный) режим; 2 -экспериментальный резким. Вертикальными стрелками обозначены технологические операции: «Ш» - скачивание первичного шлака и ввод ТШС, «Т» - замер температуры, «X» ■ отбор пробы на химический состав, «Ф» - ввод ферросплавов для корректировки состава

Назначение периодов миксирования в следующем. В первый период миксирования происходит окисление Si, Мп и Fe, в результате этих процессов

шлакообразующая смесь насыщается соответствующими оксидами, начинается процесс шлакообразования. Второй период характеризуется наличием жидкоподвижного шлака, постепенньм развитием реакций восстановления оксидов, всплытием неметаллических включений и удалением растворенных газов вследствие эффекта «барботажа» расплава пузырьками {СО}. При наличии жидкотекучего шлака углерод расходуется на восстановление марганца и железа по известным уравнениям:

(БеО) + [С] -> {СО} + Реж, ДС^о = -100,75 - 0,093Т, (2)

(МпО) + [С] -> {СО} + [Мп], Дв мпо = 270,94 - 0Д7Т, (3)

Третий период необходим для выравнивания химического состава и температуры расплава перед выпуском плавки. В результате поверхностно-активный углерод на границе раздела «металл-шлак» в большей степени расходуется не на восстановление ЯО^ из шлака и футеровки шлакового пояса печи, а на восстановление марганца и железа, что в массовом эквиваленте снижает степень его окисления (табл. 4).

Окисление элементов в плавках различных технологий (% масс.)

Таблица 4

Технология выплавки Содержание элементов Температура отбора пробы, °С

С Б!* Мп

Экспериментальная 3,70 1,90 0,55 1400

3,52 2,05 0,53 1450

Действующая 3,70 1,90 0,55 1400

3,48 2,15 0,51 1550

* «пригар» кремния

Для кислых процессов при температуре расплава выше 1400°С характерно протекание тигельной реакции:

(8Ю2) + 2[С] ~ [БП + 2{СО}, Да\,02 = -357,71 + 0Д28Т, (4)

Развитие реакции определяет конечное содержание углерода и кремния. Усреднение ванны по химическому составу и температуре, а также приведение основных химических взаимодействий в состояние близкое к динамическому равновесию во время второго периода миксирования обеспечивают нормальный ход процесса выплавки, выражающийся в снижении и стабилизации изменения концентраций основных элементов - С иЖ (рис. 3 а,

б). Увеличение корреляционной связи параметров «С - Si» говорит о повышении воспроизводимости результатов Сср = f(Sicp) в экспериментальных плавках, что можно расценивать как увеличение эффективности управления технологическим процессом. Значительно больший прирост содержания Si в чугуне можно объяснить его восстановлением из футеровки печи, что подтверждается практикой: при форсированном режиме выплавки стойкость кислой футеровки не превышает 100 плавок, тогда как согласно паспортным данным, она должна составлять не менее 150 плавок.

2,10 2,05 2,00 1,95

3,45

2,50 -

85

Si = -1.0145С + 5,6592 R2 = 0,5395

3,65 3,70

Содержание С, %

а) (29 плавок)

Si = -0.851С + 5.1752, R2 = 0,3638

3,60 3,65 3,70

Содержание С, %

б) (32 плавки) Рис. 3. Связь концентраций [С] и [Si]: а) экспериментальная, б) действующая технология

Это подтверждается и тем, что состав шлаков отобранных перед выпуском плавок при использовании различных температурных режимов значительно отличается содержанием и оксидов Мп и Уе (табл. 5). Также установлено, что использование форсированного температурного режима с

образованием «фаялитного» кислого шлака также приводит к повышенной газонасыщенности и появлению крупных неметаллических включений (рис. 4).

Состав шлаков перед выпуском в плавках различных технологий*

Таблица 5

Технология выплавки Содержание оксидов, % (масс.) Масса, кг

(РехОу+МпО) 8102 АЬ03 СаО

Экспериментальная 25,7-32,0 35,6-40,0 15,0-20,0 2,0-3,0 7,20

Действующая 38,0-42,0 60,0-62,5 5,0-5,5 - 8,50

*при скачивании шлака использовался коагулянт «ЯЕММОЗЮОО»

а) трав., (хЮО) б) (х500) в) (х50)

Рис. 4. Включения в выплавленных чугунах: а) газовая раковина, б) сульфиды, в) шлаковая раковина

Удаления микроэлементов, как при форсированном, так и при экспериментальном режиме выплавки, практически не происходит: наблюдалось незначительное колебание концентраций на границе погрешности методики. Анализ проб на содержание ванадия, титана, мышьяка и свинца, перед выпуском плавки, показывает лишь снижение концентрации последнего элемента до содержания 0,001%.

Принципиальное отличие технологии выплавки стали от технологии выплавки чугунов в проведении периода окисления элементов и рафинирования расплава от растворенных газов и неметаллических включений. Главными удаляемыми элементами, с учетом проведенного анализа стального лома, являются углерод, кремний и сера. Были проведены экспериментальные плавки стали 30 в ИСТ-1.0 с нейтральной футеровкой. В качестве окислителя применялась кузнечная окалина, для раскисления использовался технический алюминий (АВ97) в количестве 0,12-0,15 кг/т. Использовался отработанный на выплавке чугунов метод трех режимов миксирования. Для выбора

необходимого ТШС были использованы составы табл. 3: №1 (55% БЮ2, 40% А1203, 5% СаО - 1 плавка) и №3 (50% БЮ2, 35% А1203, 15% СаО - 4 плавки) в количестве 5 кг/ т стали. Шлаки обоих смесей показали удовлетворительную текучесть при температурах от 1550 до 1650°С, но ТШС состава №1, ввиду малого количества СаО, не обеспечивает необходимую степень ассимиляции неметаллических включений, что было установлено в ходе металлографического анализа темплетов клиновых проб металла отобранных перед выпуском плавки (рис. 5).

а) (х500) б) (хЮОО) в) (х500)

Рис. 5. Включения в выплавленной стали: а) вюстит, б) алюминосшикаты, в) газовая пористость

(-«-С-»-31 -*-Мп -х-зм0 -ж-РЧО] Время плавки, мин

Рис. 6. Кинетика поведения элементов в период выплавки (5%, Р%х10)

Необходимо отметить, что изменение содержания Р и Мп подчиняется термодинамическим особенностям шлакового режима: при вводе окислителя их концентрации сначала снижаются, а через 30-35 минут, после ввода ферросплавов и окончания периода «кипения», вновь возрастают (рис.7).

£ 0.80

1500 1510 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 р^С ^г-Мп-^з -*<-Р| Температура,°С

Рис. 7. Динамит поведения элементов в период выплавки (8%, Р% х10)

При химическом анализе проб металла установлено, что происходит удаление некоторых «наследственных» микроэлементов после ввода окислителя, при этом не удаляется Ая, а РЬ удаляется в процессе нагрева и расплавления шихты (табл. 6).

Изменение содержания микроэлементов (% масс.)

Таблица 6

Место замера Т1 V Аэ РЬ

Шихта (расчет) 0,009 0,004 0,008 0,002

Первая проба (1600°С) 0,008 0,004 0,007 <0,0005

Вторая проба (1650°С) 0,006 0,003 0,008 <0,0005

В пятой главе представлены результаты опытно-промышленных испытаний технологии выплавки чугунов и стали в индукционных сталеплавильных печах, приведены ее основные контролируемые параметры для промышленного производства сплавов.

Испытания технологии осуществлялась в условиях ООО «ЛеМаЗ»: в период с января 2006г. по декабрь 2007г. произведено 530 плавок высоколегированного чугуна «нирезист». Необходимо отметить, что, как и в полученных выше результатах, в опытно-промышленных испытаниях наблюдалось снижение степени окисления С и Мп, а также восстановления Яг

из футеровки печи. За период испытания технологии повышены качественные характеристики чугуна «нирезист»: повышены механические свойства, уменьшено количество газоусадочных дефектов с 22,90 до 7,05% (табл. 7).

Сравнительные показатели технологий выплавки чугунов

Таблица 7

Показатели Технологии выплавки

Действующая Экспериментальная

Длительность плавки, мин 92-94 110-112

Расход энергии, кВтч/т 560-590 580-600

Степень окисления и восстановления элементов, %: С 81 Мп 5,9 13,1 L 8,0 4,90 7,80 13,10

Средняя стойкость футеровки, пл. 88 115

Качество сплавов: - критерий «структура» (техн. пробы, заготовки) - критерий «свойства»: (техн. пробы) твердость, НВ сопротивление разрыву, МПа Наличие газоусадочных и шлаковых раковин, сульфидов и дендритов 170 160 Нормальная структура, отсутствие дефектов 155 185

Показатели технологий выплавки углеродистой стали, согласно литературным данным и проведенным испытаниям, представлены в табл. 8.

Сравнительные показатели технологий выплавки углеродистой стали

Таблица 8

Показатели Технологии выплавки

Существующая Экспериментальная

Длительность плавки, мин 95-100 П7-119

Расход энергии, кВтч/т -700 650-680

Степень окисления элементов, %: С Я! 8 67 95 60 33 86 33

Стойкость футеровки, пл. до 10 22

Тип футеровки Основная Нейтральная

20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Осуществлен анализ существующих технологий выплавки сплавов в индукционных печах с использованием различных температурно-шлаковых режимов. Выполнена систематизация научных представлений о механизмах и влиянии металлургической наследственности на свойства сплавов. Экспериментально исследовано влияние типа доменных чугунов и условий кристаллизации на особенности формирования дендритной структуры; предложена математическая модель отождествления кристаллов с фрактально-кластреными агрегациями, которая подтверждена результатами экспериментальных работ. Разработана методика ускоренного исследования качества кусковых шихтовых материалов, позволяющая определять их полный химический состав и внутренние дефекты, влияющие на качество металлопродукции.

2. Разработана технология выплавки углеродистой качественной стали с периодом окисления элементов и гарантированной стойкостью футеровки не менее 22 плавок, позволяющая удалять кремний на 86%, углерод и серу на 33%, что дает возможность перерабатывать стальной лом с завышенным относительно марочного состава содержанием элементов. Испытания технологии выплавки в условиях ООО «ЛеМаЗ» (Лебедянский машиностроительный завод, г. Лебедянь) в индукционных печах с нейтральной футеровкой показали высокую чистоту металла по растворенным газам и неметаллическим включениям.

3. Разработана технология выплавки высококачественных конструкционных чугунов в индукционных печах с кислой футеровкой, отличающаяся использованием твердых шлакообразующих смесей и трех периодов миксирования, позволяющая снизить окисление углерода на 1,0%, марганца на 4%, восстановление кремния на 5,3%. Технология позволяет повысить качество чугуна по содержанию газов и неметаллических включений. Испытания технологии в условиях ООО «ЛеМаЗ» показали снижение окисления углерода на 1,0%, марганца на 4% и восстановления кремния на 5,3%, а также повышение стойкости футеровки на 25%. Разработанная технология повышает качественные характеристики чугуна «нирезист» после модифицирования: увеличен предел прочности (на 15,6%), снижена твердость (на 8,8%) и уменьшено количество газоусадочных дефектов (на 15,85%).

4. Экспериментально установлен факт «структурной наследственности»

шихтовых материалов заключающийся в увеличении склонности углеродистых расплавов к дендритной сегрегации при использовании в шихте белых доменных чугунов, которые имеют в своей структуре дендритные кристаллы и не имеют структурно-свободного углерода в форме графита. Увеличение температуры последнего периода миксирования свыше 1550°С усиливает «наследственность» расплавов и, одновременно, повышает степень изрезанности поверхности кристаллизующихся дендритов.

5. Дендритные структуры, кристаллизующиеся при скоростях охлаждения от 10 до 30°С/с и температурах перегрева расплавов, полученных из доменных ледебуритных чугунов, от 1300 до 1600°С обладают дробной фрактальной размерностью от 1,49 до 1,87 и иерархичностью внутреннего строения, что может служить косвенным доказательством их кластерной природы.

6. Предложен принцип организации технологии выплавки сплавов с использованием трех периодов миксирования, заключающийся в температурно-временном разграничении протекания основных окислительных реакций с участием кремния, углерода и марганца, позволяющий наводить жидкоподвижный шлак для кислых и нейтральных футеровок печей.

7. Исследованы особенности технологии выплавки сплавов в индукционных сталеплавильных печах, заключающиеся в поведении основных и «наследственных» элементов и специфических условиях шлакообразования с использованием твердых шлакообразующих смесей на основе системы оксидов «ЗЮг-А^Оз-СаО».

8. Определены зависимости между качеством шихтовых материалов и технологическими параметрами выплавки сплавов, сформулированные в обязательных требованиях к параметрам материалов и технологическим режимам, которые отражены в действующих инструкциях ООО «ЛеМаЗ».

9. С помощью разработанной методики исследовано предельное содержание вредных микроэлементов цветных металлов в доменных чушковых чугунах ведущих предприятий-поставщиков центрального федерального округа (от 0,025 до 0,034%) и стальном углеродистом ломе (от 0,016 до 0,023%).

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Дубровский С.А., Шипельников А.А., Петрикин Ю.Н. Наследование

структурных свойств шихтовых материалов чугунами индукционной плавки // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2008.- №2. - С.48 -51.

2. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Петрикин Ю.Н. Дендритная наследственность шихтовых материалов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2008,- №2. - С.46 - 51.

3. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Наследственные неравновесные структуры в чугунах // Заготовительные производства в машиностроении. - 2008.- №12. - С.З - 6.

Другие публикации:

1. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Поведение химических элементов при различных температурных режимах плавки // Современная металлургия начала нового тысячелетия: труды IV международной научно-технической конференции. - Липецк: ЛГТУ, 2007. -4.2.-С. 60-63.

2. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Требования к качеству шихтовых материалов и контролируемые параметры технологии устранения наследственности шихтовых материалов // Современная металлургия начала нового тысячелетия: труды V международной научно-технической конференции. - Липецк: ЛГТУ, 2008. - Ч. 1. - С. 6 -12.

3. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Исследование физико-химических особенностей выплавки сплавов в индукционных печах // Славяновские чтения «Сварка - XXI век»: сборник научных трудов. 4-5 июня 2009г. - Липецк: ЛГТУ, 2009. - Кн. 1. - С. 45 - 52.

4. Дубровский С. А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Технология выплавки углеродистой стали в индукционных сталеплавильных печах // Вести высших учебных заведений Черноземья. - Липецк - ЛГТУ, 2009.- № 1 (15). -С.98 - 102.

5. Дубровский С.А., Шипельников A.A. Исследование составов шлакообразующих смесей для кислых и нейтральных футеровок индукционных печей // Славяновские чтения «Сварка - XXI век»: сборник научных трудов. 4-5 июня 2009г.- Липецк: ЛГТУ, 2009. - Кн. 1. - С. 53 - 57.

6. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Кластерный механизм наследственности шихтовых материалов // Вестник ЛГТУ - ЛЭГИ. -Липецк: ЛГТУ - ЛЭГИ, 2007.- № 1 (15). - С. 42 - 46.

7. Дубровский С.А., Шипелышков A.A., Роготовский А.Н. Влияние технологии модифицирования на улучшение структуры чугунов // Современная металлургия начала нового тысячелетия: труды IV международной научно-технической конференции. - Липецк: ЛГТУ, 2007. - Ч. 2. - С.55 - 59.

8. Шипелышков A.A., Роготовский А.Н. Практика модифицирования конструкционных чугунов // Современная металлургия начала нового тысячелетия: труды V международной научно-технической конференции. -Липецк: ЛГТУ, 2008. - Часть 1. - С. 88 - 93.

9. Шипелышков A.A., Дубровский С.А., Петрикин Ю.Н. Влияние технологических параметров плавки на морфологию дендритов литейных чугунов // Современная металлургия начала нового тысячелетия: труды Ш международной научно-технической конференции. - Липецк: ЛГТУ, 2006. - Ч. 3.-С.9-17.

10. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Методика металлургической экспертизы качества шихтовых материалов // Современная металлургия начала нового тысячелетия: труды V международной научно-технической конференции.- Липецк: ЛГТУ, 2008. - Часть 1. - С. 12 - 19.

11. Шипельников A.A., Дубровский С.А., Петрикин Ю.Н. Исследование наследственности микроструктуры и анализ сопутствующих микропримесей литейных // Современная металлургия начала нового тысячелетия: труды III международной научно-технической конференции. - Липецк: ЛГТУ, 2006. - Ч. З.-С. 18-28.

12. Дубровский С. А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Химическая наследственность шихтовых материалов // Вести высших учебных заведений Черноземья. - Липецк - ЛГТУ, 2008.- № 2 (12). - С. 79-83.

13. Дубровский С. А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Гипотеза кластерной природы наследственности шихтовых материалов в металлургии черных сплавов // Вести высших учебных заведений Черноземья. — Липецк: ЛГТУ, 2008.-№ 1 (11). - С.89 - 96.

Подписано в печать ■fS. Oi .2010. Формат 84x108 1/16

Бумага офсетная. Ризография. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № A6S Бесплатно. Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ. 398600, Липецк, ул. Московская, 30