автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Повышение эффективности работы стале- и чугунолитейных цехов на основе совершенствования расчета шихты и подготовки металлических расплавов к заливке

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования.

1.1. Основные направления использования вычислительной техники в литейном производстве.

1.2. Оптимизационные методы расчета шихты.

1.2.1. Обзор методов, которые могут использоваться для расчета шихты

1.2.2. Обзор программных средств для расчета шихты.

1.3. Методы расчета корректирующих добавок.

1.4. Способы снижения брака отливок по причине ликвации.

1.5. Оценка влияния легирующих элементов на графитизацию чугуна.

1.6. Оценка времени действия графитизирующих модификаторов.

1.7. Установление зависимостей свойств серого чугуна от химического состава, модифицирования, легирования и температуры заливки.

1.8. Методы снижения потерь при заливке металла в формы.

Глава 2. Методика лабораторных исследований.

Глава 3. Разработка программного обеспечения для решения задач по расчету шихты и оптимизации работы плавильных и заливочных отделений литейных цехов.

3.1. Разработка программного обеспечения для расчета шихты и корректирующих добавок.

3.2. Разработка программного обеспечения для расчета добавок в ковш и выбора форм под заливку.

Глава 4. Результаты экспериментов и их реализация в промышленности 77 4.1. Опробование программного обеспечения для расчета шихты и корректирующих добавок.

4.1.1. Уточнение коэффициентов усвоения элементов из шихтовых материалов.

4.1.2. Использование данных расчета шихты для оценки вредных выбросов от плавильных агрегатов.

4.2. Исследование процесса переноса структурных составляющих при затвердевании чугуна.

4.3. Оценка действия легирующих элементов в сплаве в качестве графитизаторов.

4.4. Оценка продолжительности действия графитизирующих модификаторов.

4.5. Опробование программного обеспечения для расчета добавок в ковш и выбора форм под заливку.

Актуальность. Повышение эффективности литейного производства связано с решением проблем ресурсосбережения и повышением качества продукции.

Вследствие отсутствия централизованных поставок шихтовых материалов, вызванного сокращением выпуска литейных чугунов и повышением их стоимости, заметно снижено качество исходного сырья для производства отливок и заготовок. Многие предприятия вынуждены использовать сырье с заметным отличием по содержанию легирующих компонентов и примесей. По этой причине требования заказчиков, определяющих состав и свойства выпускаемой продукции, не могут быть удовлетворены в полной мере, поскольку даже относительно небольшие отклонения в химическом составе сплавов часто влекут за собой изменение их литейных характеристик, появление различных видов брака по структуре и геометрической точности литья.

Поэтому особую актуальность приобретает разработка программных продуктов по расчету шихты и корректирующих добавок для получения и доводки требуемого состава сплава, а также оптимизации работы плавильных и заливочных участков литейных цехов.

Цель работы. Повышение эффективности производства предприятий машиностроения и металлургии, специализирующихся на выпуске чугунного и стального литья р за счет минимизации затрат на ^ выплавку и доводку жидкого металла.

Задачи исследования: 1. Определение коэффициентов усвоения легирующих элементов и примесей из ферросплавов при выплавке стали в 3-х и 6-ти тонных ДСП на основе статистического анализа производственных и литературных данных.

2. Разработка программного обеспечения для оптимизации <бостава шихты и корректирующих ковшевых добавок в процессе выплавки сталей и чугунов.

3. Исследование и анализ влияния легирования, модифицирования, температуры заливки на технологические и эксплуатационные свойства серого чугуна, а также влияние рафинирования и движения металла в форме на возникновение структурной неоднородности в сплавах с аномальным типом эвтектики.

Разработка комплекса программных продуктов для оптимизации работы плавильных и заливочных отделений литейных цехов по критерию минимизации производственных затрат.

Научная новизна.

Выполнены экспериментальные исследования и проведен теоретический анализ процесса усвоения легирующих элементов, позволившие разработать программное обеспечение для расчета оптимального состава шихты и корректирующих добавок при производстве отливок и заготовок из чугуна и стали, в условиях нестабильности химического состава и вида поставляемых шихтовых материалов.

Показано, что в зависимости от вида поставляемых материалов и применяемой технологии плавки коэффициент их усвоения может колебаться в значительных пределах. Так, для кремния коэффициент усвоения из ферросплавов для дуговой печи составлял 0,75, для индукционной - 0,95; коэффициент усвоения Si из лома для дуговой печи при плавке с окислением составлял 0, без окисления - 0,6; при плавке в индукционной печи - 0,8.

Получены математические зависимости и разработан программный продукт, позволяющие рассчитывать добавки для получения сплавов на основе железа требуемого состава, выплавляемых в электродуговых печах вместимостью 3 - 6 т.

Предложен механизм возникновения локальной химической и структурной неоднородности отливок для сплавов, относящихся к системам с аномальным типом эвтектик, обусловленный переносом турбулентными потоками жидкого металла кристаллов с повышенным содержанием неметаллического компонента и повторного вовлечения их в процесс кристаллизации.

Исследовано влияние кремнийсодержащих модификаторов на графитизацию чугунов СЧ20 - СЧЗО. Установлено, что заметное влияние на результаты графитизирующего модифицирования оказывают азот и кислород, которые увеличивают склонность чугуна к отбелу. С увеличением их концентрации заметно возрастает влияние на отбел Мп, Сг и Ti, что необходимо учитывать при выборе модификатора.

Повышение концентрации азота с 0,001 до 0,018% в присутствии марганца (0,2 %) и хрома (0,3 %) увеличивало отбел почти вдвое, поскольку азот участвует в образовании сложного карбида железа.

Снижение содержания кислорода в чугуне с 0,0035 до 0,002% способствовало уменьшению глубины отбела (11%) и повышению модифицирующей способности кремния. С этой особенностью кислорода в значительной мере связано изменение динамики действия модификатора во времени. Наиболее сильный, но кратковременный эффект обеспечивает чистый кремний. А наиболее стабильные результаты получены при использовании ФС60Ба22, содержащего в своем составе алюминий.

Получены аналитические зависимости, описывающие изменение величины отбела чугуна во времени при использовании различных модификаторов.

С учетом особенностей усвоения компонентов сплава, а также технологии плавки предложена методика для расчета вредных выбросов при плавке в электродуговых печах.

Практическая значимость.

Разработаны и реализованы программные обеспечения на персональных ЭВМ, позволяющее в условиях действующих стале- и чугунолитейных цехов решать задачи по выбору оптимального состава шихтовых материалов и корректирующих добавок, применительно к условиям мелкосерийного производства чугунных отливок разработана программа, позволяющая, осуществлять выбор форм оптимальной металлоемкости под заливку в цехах крупного литья серого чугуна.

Программное обеспечение для выбора форм с оптимальной общей металлоемкостью под заливку в цехах крупного литья серого чугуна передано на Каширский завод «Центролит».

Внедрение. Программное обеспечение на персональных ЭВМ по выбору оптимального состава шихтовых материалов и корректирующих добавок для производства углеродистых и низколегированных сталей внедрено в фасонно-литейном цехе ОАО «Северсталь» с экономическим эффектом.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на 6-ти конференциях: зональной науч.-техн. конференции в Ярославле в 1990г., Международной науч.-практ. конференции в Москве в 2000г., 3-й Всероссийской науч.-практ. конференции в С.-Петербурге в 2002г., Международной науч.-техн. конференции в Волгограде в 2002г., Российской науч.-техн. конференции в Рыбинске в 2002г.

Публикации. Результаты, основные положения диссертации опубликованы в 4-х статьях и 6-ти тезисах докладов на конференциях.

Объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка литературы. Изложено на 140 страницах машинописного

7. Результаты работы внедрены на ОАО «Северсталь» в условиях фасонно-литейного цеха, что обеспечило стабилизацию составов выплавляемых сталей, экономию легирующих добавок при выплавке стали, сокращение продолжительности плавки, потерь на угар, расход основных и вспомогательных материалов. Экономический эффект от разработки при производстве углеродистых и низколегированных сталей составил более 4 у.е./т или 1500000 рублей в год.

1. Неуструев А.А., Ищенко В.В. «Направления компьютеризации литейного производства». // III Всесоюзный научно-техн. съезд литейщиков. Тезисы докладов. Волгоград 26 - 28 сентября 1989г. С. 61-66.

2. Марьянский А.В., Серебро B.C. Применение ЭВМ в литейном производстве за рубежом //Литейное производство. 1985. - №11. -С. 37-39.

3. Тезисы докладов II Всесоюзного научно-технического съезда литейщиков (Ленинград, 17-20 мая 1983г.) М.: НИИ информации по машиностроению, - 1983. - 414 с.

4. Пути повышения точности литых деталей и экономии металла в литейном производстве. //Тезисы докладов к областному семинару (15-16 сентября 1983 г.) Пенза. - 1983. - 59 с.

5. Разработка технологических процессов литья, проектирование оснастки и анализ качества отливок с использованием ЭВМ. Тезисы зональной научно-технической конференции сентябрь 1990г. -Ярославль. Ярославский политехнический институт. 1990. - 98 с.

6. Рациональное использование материальных ресурсов в литейном производстве. //Тезисы докл. научно-техн. конференции. Челябинск. 1991.-69 с.

7. Тогобицкая Д. Н., Хамхотько А.Ф., Белькова А.И. Информационное, алгоритмическое и программное обеспечение для решения задач оптимизации доменной шихты. //Металлург, 1999. - №6. С. 42-43.

8. Пелых С.Г., Семесенко М.П. Оптимизация литейных процессов. -Киев: В ища школа, 1977. - 192 с.

9. Курдюмов А.В., Тен Э.Б. Расчет оптимального состава шихты на ЭВМ. М.: Металлургия, - 1984. - 72 с.

10. Расчет состава шихты на простейших ЭВМ. /Фокин В.И., Ермилин А.С., Глуханкин К.Н. и др. // Тезисы зональной научно-технической конференции сентябрь 1990г. Ярославль. Ярославский политехнический институт, 1990. С. 40-41.

11. Грушевский В.Г., Маслак А.В. Оперативный расчет оптимального состава шихты для черных и цветных сплавов. //Литейное производство. 1998. №4. - С. 13.

12. Смирнов К.И., Фукс А.И., Харламов О.М. Оптимизация составов шихт по вагранкам. //Литейное производство. 1982. №3. С. 3,4.

13. Макаревич А.П., Берлева Л. Н. Ресурсосберегающие смеси с техническими лигносульфонатами. // Рациональное использование материальных ресурсов в литейном производстве. Тезисы докл. научно-техн. конференции. Челябинск. 1991. С. 67.

14. Соболев Б.М., Иванов В.В. Расчеты технологических процессов плавки чугуна: Учеб. пособие. Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т. - 1995. - 92 с.

15. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1966. - 664 с.

16. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1974. - 224 с.

17. Стренг Г. Линейная алгебра и ее применение: пер. с англ. М.: Мир, -1980.- 215 с.

18. Степанов Н.Ф., Ерлыкина М.Е., Филиппов Г.Г. Методы линейной алгебры в физической химии. М. МГУ, 1976. - 360 с.

19. Леви Л.И., Мариенбах Л.М. Основы теории металлургических процессов и технология плавки литейных сплавов. М.: Машиностроение, 1970. 496 с.

20. Титов Н.Д., Степанов Ю.А. Технология литейного производства. М.: Машиностроение, 1974. 472 с.

21. Расчет шихты для плавки металлов /Горбунов А.И., Сабуров В.П., Родин А.А. и др. Омск: Омский политехнический институт. 1975. -77 с.

22. Карпов П.М. — Труды /Волгоградский политехи, ин-т. Вып. И: Литейное производство. Волгоград. 1972. - С. 3 - 30.

23. Карпов П.М., Калинин Э.А., Врублевский С.Ю. и др. — Труды / Волгоградский политехи, ин-т. Выл. II: Литейное производство. Волгоград, 1974, С. 47—75.

24. Карпов П.М., Калинин Э.Л., Силкина А.И., Карпова Л.Н. — Труды / Волгоградский политехи, ин-т. Вып. IX: Литейное производство. Волгоград: 1977. С. 24—32.

25. Малина Л.И. Теория плавки и свойства жидких сплавов: Учебн. пособие /ГАЦМиЗ Красноярск, - 1997. - 160 с.

26. Колобнев И.Ф., Крымов В.И., Мельников А.В. Справочник литейщика / Под ред. Колобнева И.Ф. Цветное литье из легких сплавов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1974. 416 с.

27. Липницкий A.M. Плавка чугуна и сплавов цветных металлов. 2-е изд., перераб. и дол. Л.: Машиностроение, 1973. 192 с.

28. Друян М.А. Расчет шихты методом последовательного корректирования. //Литейное производство, 1971, № 2, С. 42-43.

29. НитИ. В. Линейное программирование. М.: МГУ, 1978, 200 с.

30. Курдюмов А.В., Тен Э.Б. Производство отливок из сплавов цветных металлов. Производство отливок из чугуна и стали. Раздел: Методика и примеры расчета шихты и оптимизация ее состава М. 1992. 156 с.

31. Линейное и нелинейное программирование /Под общей ред. Ляшенко И.Н. Киев: Вища школа. - 1975. - 372 с.

32. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Под ред. И. Г. Абрамановича М.: Наука. Глав. ред. физ.-мат. литературы. - 1984. - 832 с.

33. Велесько Е.И., Орлова Н.М. Определение оптимальной шихты для выплавки чугуна в вагранке с помощью электронно-вычислительной машины «Минск-22» (Минск-2). М.:ГОСИНТИ. -1967.-№19-67-899/12. 9 с.

34. Вердиян A.M. Оптимизация состава сырьевых шихт и параметров комбинированной системы обжига клинкера на основе эксергетического анализа. Автореферат дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Москва: - 2000г. - 16 с.

35. Добровольский И.И., Ольшевский А.А., Друян М.А. Точная корректировка химического состава стали и сплавов при расчете добавок на ЭВМ. //Литейное производство, 1987. №10. - С. 7,8.

36. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. 2-е издание перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2001. 464 с.

37. Технология литейного производства: Учеб. / Б.С. Чуркин, Э.Б. Гофман, С.Г. Майзель, А.В. Афонаскин, В.М. Миляев, А.Б. Чуркин, А.А. Филиппенков; под ред. Б.С. Чуркина. Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. проф.-пед. ун-та, 2000. 662 с.

38. Пикунов М.В. Плавка металлов, кристаллизация сплавов, затвердевание отливок: Учебн. пособие для вузов. М.: МИСИС. -1997.-376 с.

39. Жульев С.И., Федоров Д.Н., Руцкий Д.В. Исследование макроструктуры зоны отрицательной ликвации крупного кузнечного слитка. //Современные проблемы металлургического производства: Сборник трудов /Волгоград, гос. техн. ун-т., Волгоград, 2002. С. 187-191.

40. Степанова Ю.М., Жульев С.И. Исследование внеосевой А-образной ликвации в слитках массой 4,15 тонны. //Современные проблемы металлургического производства: Сборник трудов /Волгоград, гос. техн. ун-т., Волгоград, 2002. С. 197-L99.

41. Степанова Ю.М., Жульев С.И. Исследование внеосевой А-образной ликвации металлографическим методом. //Современные проблемы металлургического производства: Сборник трудов /Волгоград, гос. техн. ун-т., Волгоград, 2002. С. 199-201.

42. Колобнев И.Ф., Крымов В.И., Мельников А.В. Справочник литейщика /Под ред. Колобнева И.Ф. Цветное литье из легких сплавов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1974. 416 с.

43. Тен Э.Б., Изъюров A.JI., Воронцов В.И., Михайлов Д.П. Внутриформенное модифицирование чугуна. //Литейное производство. №6. - 1988. - С. 4-6.

44. М. Флеминге Процессы затвердевания. Пер. с англ. под ред. А.А. Жукова и Б.В. Рабиновича. М.: Изд. Мир, 1977. - 423 с.

45. Гиршович Н. Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. М.: Машиностроение. 1966. - 562 с.

46. Справочник по чугунному литью/ Под ред. Н Г. Гиршовича. Л.: Машиностроение, 1978. - 734 с.

47. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985.-216с.

48. Чугун: Справ. изд./Под ред. А.Д. Шермана и А.А. Жукова. М.: Металлургия, 1991. 576 с.

49. Ермилин А.С. Разработка и исследование технологических процессов повышения эффективности модифицирования чугуна и стали: Автореф. дисс. на соискание уч. степени к.т.н. по спец. 05.16.04. Н. Новгород, 1994. 20с.

50. Винокуров В.Д. Разработка и промышленное освоение технологии модифицирования серых чугунов при литье деталей машин с заданными механическими свойствами: Автореф. дисс. на соискание уч. степени к.т.н. по спец. 05.16.04. М. 1991. 16 с.

51. Торбьерн С. Исследование продолжительности действия модификаторов в чугуне с разными формами графита. //Литейное производство. 1999. -№6. С. 11-13.

52. Кульбовский И.К., Егоров B.C. Метод расчета на ЭВМ химического состава синтетического чугуна //Заводская лаборатория. 1985.-№1.- С. 63,64.

53. Добровольский И.И., Жуков А.А., Пахнющий И.О. Расчет структуры и механических свойств нелегированного и легированного чугунов. // Литейное производство. 1988. - №5. -С. 6-8.

54. Кульбовский И.К. Методы расчета свойств синтетического чугуна // Литейное производство. 1985. - №1. - С. 7 - 9.

55. Кульбовский И.К. Выбор легирующих добавок и модификаторов с помощью ЭВМ //Литейное производство. 1990.- №4. - С. 23.

56. Иоффе А .Я., Мишурис С.С. Оптимизация состава металла и шихты для серого чугуна. //Литейное производство. 1982. - №7. - С. 10,11.

57. Пущаловский А.Д., Прокопенко Л.И. Автоматизация и механизация дозировки и заливки металлов. Киев: «Металлургия», 1980. 24 с.

58. Полищук В.П., Погорский В.К., Злобин В.Ф. и др. Заливка чугуна магнитодинамическими насосами в условиях массового изготовления гильз тракторных двигателей //Литейное производство, 1981. №8. - С. 23,24.

59. Прохода А.Ф., Кудринский В.М., Микотин Е.Е. и др. Автоматизация дозирования расплава с помощью электроконтактного уравнемера //Литейное производство, 1981. №9. С.28.

60. Рывкис Я.М., Кудринский В.М., Мазурик В.М. Механизация и автоматизация заливки форм //Литейное производство, 1981. №9. С. 26, 27.

61. Крамаров А.Д. Производство стали в электропечах. М.: Металлургия, 1969. 348 с.

62. Типовые нормы расхода ферросплавов и легирующих материалов на производство стали и сплавов в электропечах. М.: Металлургия. 1974. 67 с.

63. Экология литейного производства. Под ред. Болдина А.Н., Жуковского С.С., Поддубного А.Н. и др. Брянск.: Изд-во БГТУ. -2001.-315 с.

64. Основы экологической экспертизы. Болдин А.Н., Поддубный А.Н. Брянск: Изд-во БГТУ. 2001. - 135 с.

65. Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Рысс М.А. и др. Электрометаллургия стали и ферросплавов. М.: Металлургия. 1974. 550 с.

66. Соловьев В.П., Гладышев С.А., Воронцов В.И. Проектирование новых и реконструкция действующих литейных цехов: Учебное пособие М.: МИСиС, 2002. - 237 с.

67. Михайлов Д.П., Болдин А.Н., Соловьев В.П., Романов Л.М. Разработка и внедрение программы расчета шихты на ЭВМ. //Актуальные проблемы современной науки 2002. - №3(6). -С. 344-346.

68. Михайлов Д.П., Крохотин В.Л. Внедрение метода расчета шихты для многокомпонентных сталей. //Литейное производство сегодня и завтра. Материалы 3-й Всероссийской научно-практической конференции. 25-27 июня. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2002. С. 43,44.

69. Михайлов Д. П., Крохотин В. Л. Расчет шихты с применением электронных таблиц "Excel". //Современные проблемы металлургического производства: Сборник трудов 1-3 октября. /Волгоград, гос. техн. ун-т., Волгоград, 2002. С. 81-83.

70. Крохотин В.Л., Михайлов Д.П., Романов Л.М., Болдин А.Н. Применение электронных таблиц для расчета шихты при выплавке стали в ДСП фасонно-литейного цеха ОАО «Северсталь». //Электрометаллургия. 2003. - №1. - С. 24-26.

71. Баландин Г.Ф. Формирование кристаллического строения отливок. Чистые металлы и однофазные сплавы. М.: Машиностроение, 1965.-255 с.

72. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. Ч 1. М.: Машиностроение, 1976. 328 с.

73. Литейное производство. Под ред. Куманина И.Б. М.: Машиностроение. 1971. - 320 с.

74. Производство отливок из сплавов цветных металлов: Учебник для вузов. /Курдюмов А.В., Пикунов М.В., Чурсин В.М. и др. 2-е изд. доп. и перераб. М.: МИСИС. 1966. - 504 с.

75. Литейное производство: Учебник для металлургических специальностей вузов. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1987. - 256 с.

76. Повышение качества чугунных отливок внепечной обработкой расплава в ковше с применением инертного газа (азота) и введением легирующих добавок. / Отчет о научно-исследовательской работе. № Гос. регистрации 01870010789. М. 1988. - 118 с.

77. Brice J.C. The growth of crystals from liquids. Amsterdam, 1973. -160P

78. Григорян В.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1988.-272 с.

79. Балкавой Ю.В., Алеев Р.А, Баканов В.К. Параметры взаимодействия первого порядка в расплавах на основе железа: Обзор, информ. / Ин-т "Черметинформация". М., 1987. 42 с.

80. Тодоров Р.П. Графитизированные железоуглеродистые сплавы. -М.: Металлургия, 1981. 311 с.

81. Воробьев АП., Игнатенко Н.В., Козлов Л.Я. // Изв. вуз. Черная металлургия. 1993. № 3. С. 71 -75.

82. Соловьев В.П., Курагин О.В., Михайлов Д.П. Влияние химических элементов на графитизацию чугуна // Изв. вуз. Черная металлургия. 1995. №3. С. 54-56.

83. Григорян В.А., Стомахин А.Я., Пономаренко А.Г. и др. Физико-химические расчеты электросталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1989. 288 с.

84. Hillert М. Recent research on cast iron. New York 1968. P. 101 127.

85. Мильман Б. С., Александров Н. Н., Соленков В. Т. // Литейное производство. 1976. № 5. С. 3—6.

86. Зимон А. Д. Адгезия жидкости и смачивание.— М.: Химия, 1974.— 413 с.

87. Курагин О. В., Соловьев В. П., Михайлов Д. П. Продолжительность действия графитизирующих модификаторов. //Известия ВУЗов Черная металлургия 1992. №3. С. 56-58.

88. Разработка системы управления процессом внепечной обработки чугуна. / Отчет о научно-исследовательской работе. № Гос. per. 0189 003193.- 1990. 74с.

89. Михайлов Д.П., Соловьев В.П., Тимошкин В. И. Разработка системы управления качеством чугунных отливок с использованием ЭВМ.Тезисы зональной научно-технической конференции 11-13 сентября, -Ярославль, 1990. С. 56,57.